一种基于液态金属的可重构滤波器

1.本实用新型涉及一种基于液态金属的可重构滤波器，属于滤波器领域。


背景技术：

2.为了保证通信的连续性和灵活性，无线通信系统往往会设计多个通信频段，利用高速射频开关进行切换，以满足在不同信号质量、通信速率等场景下的通讯需求。而对于无线系统至关重要的滤波器，为了保证各个频段的性能稳定，工程师往往需要在每条射频链路上采用不同的滤波器设计，这不仅导致了无线通信系统体积的增大，也使得系统的成本上升。因此急需一种可以满足在低频带通、高频带通以及双通带状态下切换的滤波器。


技术实现要素：

3.本实用新型提供了一种基于液态金属的可重构滤波器，解决了背景技术中披露的问题。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
5.一种基于液态金属的可重构滤波器，包括从上往下依此堆叠的顶层金属层、介质基片和底层金属层，介质基片上开有排列成一矩形边框的金属化过孔，矩形边框内的介质基片上开有一列非金属化过孔，将矩形边框内的介质基片分成两个矩形子介质基片，矩形子介质基片的中心到各顶角的对角线上均开有一列非金属化过孔，矩形子介质基片对角线上的非金属化过孔列沿中心对称，部分非金属化过孔中填充有液态金属，两个矩形子介质基片均连接有微带线。
6.顶层金属层的顶部还覆盖有顶层玻璃板，底层金属层的底部还覆盖有底层玻璃板。
7.矩形子介质基片、矩形子介质基片侧边的非金属化过孔和金属化过孔、矩形子介质基片内的非金属化过孔、矩形子介质基片上方的顶层金属层以及矩形子介质基片下方的底层金属层构成矩形谐振腔；分割矩形边框的非金属化过孔列上留有一段空隙，该空隙作为两矩形谐振腔的耦合窗口。
8.若所述滤波器在低频带通状态下，在分割矩形边框的非金属化过孔列中，除了空隙两侧第一个非金属化过孔外，其余非金属化过孔均填充有液态金属。
9.若所述滤波器在高频带通状态下，除了空隙两侧第一个非金属化过孔外，其余非金属化过孔均填充有液态金属。
10.若所述滤波器在双通带状态下，空隙两侧第一个非金属化过孔均填充有液态金属。
11.矩形子介质基片的中心到各顶角的对角线上均开有两个非金属化过孔。
12.微带线连接处没有金属化过孔。
13.本实用新型所达到的有益效果：本实用新型采用一种新的调谐方式，在部分非金属化过孔中填充液态金属，注入的液态金属相当于一个金属柱，通过填充不同的非金属化
过孔，实现低频带通、高频带通、双通带状态的切换，为解决频谱紧张提供了新的方法。
附图说明
14.图1为本实用新型的示意图；
15.图2为本实用新型的剖析示意图；
16.图3为本实用新型的俯视图；
17.图4为本实用新型低频带通状态下非金属化过孔填充状态示意图；
18.图5为本实用新型高频带通状态下非金属化过孔填充状态示意图；
19.图6为本实用新型双通带状态下非金属化过孔填充状态示意图；
20.图7为滤波器在低频带通状态下的仿真曲线图；
21.图8为滤波器在高频带通状态下的仿真曲线图；
22.图9为滤波器在双通带状态下的仿真曲线图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
24.如图1～3所示，一种基于液态金属的可重构滤波器，包括从上往下依此堆叠的顶层亚克力玻璃板1、顶层金属层2、介质基片3、底层金属层4和底层亚克力玻璃板5。
25.介质基片3为双面覆铜的介质基板，采用rogers 4003介质板，介电常数为3.55，厚度为0.508mm，介质基片3开设金属化过孔6和非金属化过孔7，为了便于向非金属化过孔7填充液态金属，所有非金属化过孔7均从顶层亚克力玻璃板1一直贯穿到底层亚克力玻璃板5。
26.金属化过孔6和非金属化过孔7的开设结构如图3：
27.沿介质基板的边均匀分布金属化过孔6排列成一矩形边框，矩形边框的长为2b，宽度为a，矩形边框中金属化过孔6的直径为d0，相邻金属化过孔6的间距为p0；
28.矩形边框内的介质基片3上开一列竖向非金属化过孔7，将矩形边框内的介质基片3分成两个相等的矩形子介质基片，该列非金属化过孔7的端部与矩形边框之间还开有一金属化过孔6，该金属化过孔6与最外端非金属化过孔7的间距为p3；
29.矩形子介质基片的中心到各顶角的对角线上均开有一列非金属化过孔7，具体为两个间距为k2的非金属化过孔7，矩形子介质基片对角线上的非金属化过孔7列沿中心(矩形子介质基片中心)对称，其中，对角线与垂直对称轴夹角为θ，矩形子介质基片的中心到非金属化过孔7列的距离为k1。
30.矩形子介质基片、矩形子介质基片侧边的非金属化过孔7和金属化过孔6、矩形子介质基片内的非金属化过孔7、矩形子介质基片上方的顶层金属层2以及矩形子介质基片下方的底层金属层4构成矩形siw谐振腔；矩形siw谐振腔有两个，分割矩形边框的非金属化过孔7列上留有一段作为耦合窗口的空隙，该空隙的宽度为g0。
31.在分割矩形边框的非金属化过孔7列中，空隙两侧第一个非金属化过孔7与其相邻的非金属化过孔7的间距为p1，其余相邻的非金属化过孔7的间距为p2。
32.两个矩形子介质基片均连接微带线，微带线连接处没有金属化过孔6，并且连接处开有延伸到谐振腔内的过渡槽，过渡槽宽度为m，微带线的宽度为w
ms
，两个微带线均为拐角
结构的微带线，呈l形，两个微带线的竖侧连接矩形子介质基片，两个微带线的横侧朝向相反，并且横侧与介质基片3的间距为l。
33.通过向部分非金属化过孔7填充液态金属，利用液态金属实现了对谐振腔大小的扰动和谐振器之间的耦合量控制，根据滤波器响应状态，来填充对应非金属化过孔。
34.滤波器可切换的三种状态为：低频带通、高频带通以及双通带，其中，
35.1)在低频带通状态下，在te
102
模式和te
202
模式的电场较弱处馈电，从而抑制te
102
模式和te
202
模式；两谐振腔在te
201
模式的电场强度最弱处进行耦合，同样的，te
201
模式也将被抑制。
36.因此，在该状态下，非金属化过孔7填充状态如图4所示，在分割矩形边框的非金属化过孔7列中，除了空隙两侧第一个非金属化过孔7外，其余非金属化过孔7均填充有液态金属，实现最佳耦合状态，这部分填充的非金属化过孔7即图中的8。
37.由于te
102
、te
201
、te
202
模式均被抑制，该状态下的滤波器能够实现宽阻带的性能。
38.2)在高频带通状态下，除了空隙两侧第一个非金属化过孔7外，其余非金属化过孔7均填充有液态金属，即图5中8、9全部注入液态金属，9使谐振腔模式的场分布被扰动，8改变耦合强度，从而它们的谐振频率也将发生改变。
39.由于液态金属形成的金属柱的扰动，te
101
、te
102
、te
201
模式频率均升高，为了保证高频带通状态下的中心频率与双通带状态下第二通带的中心频率一致，需要扰动te
101
模式的场分布，使之频率上升到原本的te
201
模式的频率处。
40.3)在双通带状态下，馈电位置不变，te
102
模式和te
202
模式也不会被激发。在该状态下，空隙两侧第一个非金属化过孔7均填充有液态金属，即图6中的10，因此两谐振腔之间的耦合窗有三个部分，相较于低频带通状态下，te
201
模式在其电场强度较强处存在耦合，因此te
201
模式不会被抑制，因此te
101
模式和te
201
模式分别形成了滤波器的第一、第二通带。
41.为验证滤波器效果，采用表1中的参数构建上述滤波器，液态金属采用如表2的铟镓锡合金。
42.表1滤波器尺寸数值
43.[0044][0045]
表2铟镓锡合金的参数
[0046][0047]
获取滤波器不同状态下的s参数仿真波形图，图7～9，其横坐标为频率(单位：ghz)，纵坐标为s参数(单位：db)，实线s21与虚线s11分别表示电磁波反射系数与频率的关系、电磁波传输系数与频率的关系。
[0048]
如图7所示，在低频通带状态下，本实用新型滤波器的-3db工作带宽为5.57ghz～5.82ghz，中心频率为5.72ghz，相对带宽为4.4％，插入损耗为1.74db。
[0049]
如图8所示，在高频通带状态下，本实用新型滤波器的-3db工作带宽为9.13ghz～9.44ghz，中心频率为9.28ghz，相对带宽为3.3％，插入损耗为2.35db。
[0050]
如图9所示，在双通带状态下，本实用新型滤波器第一通带的-3db工作带宽为5.59ghz～5.82ghz，中心频率为5.7ghz；第二通带的-3db工作带宽为9.06ghz～9.36ghz，中心频率为9.21ghz。
[0051]
将本实用新型滤波器结构与现有的一些滤波器结构进行比对，将表3。
[0052]
表3比对表
[0053][0054]
其中，文献[1]b.lee,s.nam,t.lee,c.ahn and j.lee.single-filter structure with tunable operating frequency in noncontiguous bands[j].ieee transactions on components,packaging and manufacturing technology,2017,7(1):98-105；
[0055]
文献[2]v.sekar,m.armendariz and k.entesari.a1.2-1.6ghz substrate integrated waveguide rf mems tunable filter[j].ieee transactions on microwave theory and techniques,2011,59(4):866-876；
[0056]
文献[3]b.you,s.lu,l.chen and q.j.gu.a half-mode substrate-integrated filter with tunable center frequency and reconfigurable bandwidth[j].ieee microwave and wireless components letters,2016,26(3):189-191；
[0057]
文献[4]m.armendariz,v.sekar and k.entesari.tunable siw bandpass filters with pin diodes[c].ieee european microwave conference,paris,2010,pp.830-833；
[0058]
文献[5]m.koochakzadeh and a.abbaspour-tamijani.switchable bandpass filter for 0.3-0.6ghz[c].ieee/mtts international microwave symposium,2007,pp.557-560。
[0059]
从上表中可以看出，本实用新型的滤波器注入的液态金属相当于一个金属柱，结构中没有加入有源器件，相较于加入有源器件的电可调方式，插损更小，并且可以实现双通带效果，且频率没有偏移。
[0060]
本实用新型的滤波器采用一种新的调谐方式，在部分非金属化过孔中填充液态金属，注入的液态金属相当于一个金属柱，通过填充不同的非金属化过孔，实现低频带通、高
频带通、双通带状态的切换，为解决频谱紧张提供了新的方法；并且本实用新型采用的是siw结构，结构简单，易于加工。
[0061]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。