一种用于卫星通信的小型化宽带SIW滤波器

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种用于卫星通信的小型化宽带siw滤波器。

背景技术：

1、卫星通信作为现如今5g移动通信的一种补充，具有很大的前景、意义和挑战。卫星通信可以实现全球范围内的通信覆盖，无论是陆地、海洋还是偏远地区都可以获得稳定的通信服务。此外，卫星通信可以有效扩展和增强现有的地面无线通信网络，提供更广泛、快速和可靠的通信服务。更为重要的是卫星通信可以在自然灾害、紧急救援等情况下提供及时的通信支持，帮助救援人员和受灾人群进行有效的沟通和协调。这些优势恰恰是传统无线通信系统所不能达到的。

2、卫星通信领域方兴未艾，从1957年苏联发射第一颗通信卫星开始，到1965年美国开始商用通信卫星，再到现如今卫星互联网和星座网络的建立，卫星通信领域始终充满了无限的发展前景和动力。但是卫星通信的发展也面临着一系列的问题，其中最为基础的问题即频谱资源的划。卫星通信需要使用特定的频谱资源，而频谱资源是有限的，如何合理管理和分配频谱资源是一个挑战。目前，卫星通信常用的频段即c、ku、ka波段。此外，卫星通信的通信稳定性以及安全性问题也引起了人们广泛关注，例如如何抵抗恶劣天气环境所带来的通信质量问题以及如何对传输信息进行加密保护。卫星通信发展所面临最为重要的挑战就是如何控制成本。卫星通信系统的建设和维护都需要巨大的投资，包括卫星的研制、发射、轨道维护以及地面接收设备等方面的费用。如何使得卫星通信的成本下降也是目前卫星通信最为关注的研究热点。

3、降低卫星通信的成本可以依靠卫星通信系统中射频器件的小型化以及宽带化实现。小型化意味着卫星整体的质量以及空间尺寸的大大减小，这对于卫星的发射以及维护成本的降低起到了至关重要的作用。宽带化也是卫星通信器件的一个重要特征，宽带特性可以满足不同通信频段的要求，使得通信卫星能够接收各个通信模式的信号，而且不需要附加额外的器件。现在的技术问题是如何实现卫星通信的小型化以及宽带化。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于卫星通信的小型化宽带siw滤波器,以降低卫星通信器件的尺寸和质量，同时满足卫星通信的多通信模式要求。该滤波器基于siw结构，具有高功率容量和高q值的特点，降低卫星通信成本的同时也提高了通信质量。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种用于卫星通信的小型化宽带siw滤波器，主要模块有加载电磁带隙ebg结构的馈电端口、通孔所包围的基片集成波导siw谐振腔、感性耦合窗口模块以及复合右手/左手结构crlh组成。

4、ebg加载的馈电端口：传统的馈电端口值仅注重端口的阻抗匹配问题，通过渐变线、鳍型线或者指数渐变线进行阻抗匹配。本发明中除了采用渐变线进行阻抗匹配外还通过在输入输出端口刻蚀缝隙结构来实现ebg加载，从而满足卫星通信滤波器对阻带抑制程度、选择性和宽带的要求。

5、孔所包围的基片集成波导siw谐振腔：本发明中利用电磁波分布的对称性，对siw谐振腔进行切割，切割之后的腔体仍然具有相似的谐振特性，例如谐振频率、谐振模式以及谐振点个数。通过沿着x轴以及y轴对称轴方向进行切割操作，qmsiw的体积缩小为整个siw结构的四分之一，尺寸大大减小。

6、感性耦合窗口模块：单一谐振腔体仅是滤波器设计的基础结构，为实现滤波效果还需要将一系列谐振腔进行耦合。本发明中采用最为常用，同时也是siw结构最为容易实现的感性谐振窗结构进行磁耦合。siw结构是通过圆形金属通孔的包围来实现抑制电磁波泄露的作用。感性耦合窗口模块即在紧密排列的金属通孔阵列中抽出一定数量的金属通孔，使得该阵列具有一定宽度的无金属通孔区域，如此电磁波便可经由此空缺实现耦合效果，且磁耦合效果的强弱与开口宽度成正相关。

7、复合右手/左手结构crlh：为了进一步提升该滤波器的集成度降低尺寸，本发明在使用qmsiw的基础上进一步加载了crlh结构以形成慢波传播形式，通过改变传播相速来进一步减小滤波器尺寸。最为经典且易于实现的crlh结构为倾斜叉指结构，本发明即采用倾斜叉指结构进行加载以实现小型化滤波器的设计。此外ebg结构也可加载于此倾斜叉指结构之上以达到扩展带宽，抑制阻带和杂波的效果。本发明中采用圆孔加载的形式，在已经刻蚀的倾斜叉指结构上再次刻蚀出圆孔型缺口，实现圆孔型ebg加载。

8、上述小型化宽带siw滤波器可应用于卫星通信中，其宽带特性使得卫星通信系统能够在仅使用一个滤波器的情况下，接收多种通信频段的信号，使得系统复杂程度大大减小。此外，利用qmsiw结构以及加载crlh结构使得滤波器体积大大减小，进一步提高了集成度，这对卫星通信成本的降低具有十分重要的意义。为了实现宽带特性，抑制杂散通带，将ebg结构加载在输入/输出端口以及crlh结构上，使得滤波器选择性更高。

9、进一步的，所述小型化宽带siw滤波器充分利用siw谐振腔的电磁分布的对称性，采用了qmsiw结构，即沿对称轴方向将siw腔体对半裁剪，由于电磁场分布沿x轴、y轴向均对称，沿对称轴方向将siw腔体对半裁剪，所以利用该方法使得体积缩小为原来腔体的四分之一。

10、进一步的，所述小型化宽带siw滤波器还通过加载crlh形成慢波效应，以求达到缩减滤波器尺寸的目的。慢波效应即通过加载某些特殊周期性结构，使得微波器件的电磁场分布发生扰动，从而引起其传输特性的改变。最为显著的特点即是电磁波的相速度减小，所以称之为慢波效应。

11、实现慢波效应最为典型的结构即倾斜叉指结构，该结构包括数根(本发明采用7阶倾斜叉指结构)指状金属带条以及相互耦合的非金属间距。其中金属带条的长度以及宽度均会影响谐振腔的谐振频率。此外，金属带条之间的非金属缝隙决定着耦合强度的大小，通过改变间距的大小也可实现对谐振响应的调整。

12、进一步的，所述小型化宽带siw滤波器采用微带传输线的方式进行馈电。由于传输线结构形式的非一致性，造成了传输模式的不连续，因此会发生电磁波的反射以及耗损。为了减小阻抗失配造成的不良影响兼顾加工工艺的可实现性，采用了线性渐变的微带传输线结构进行馈电。常用的阻抗匹配方式还包括指数渐变以及鳍型线渐变的方式，但是其设计复杂程度以及加工精度要求均较高，本发明综合考虑性能及成本，采用最为容易实现且性能较优的线性渐变阻抗匹配结构。同时把设计重点及重心放在小型化设计和宽带化设计上面。线性渐变阻抗匹配结构实现了从微带传输线到siw传输线结构的转换，但是其对寄生通带和阻带的抑制效果不佳。本发明使用电磁带隙结构(ebg)，即通过在输入输出端口上加载缝隙结构以实现阻带抑制以及抑制杂散通带的效果，从而使得所设计的滤波器具有宽带特性。加载的缝隙的数量、缝隙的间距以及缝隙的宽度均会对抑制的效果产生影响。

13、进一步的，所述小型化宽带siw滤波器不仅使用7阶倾斜叉指结构作为crlh结构，还使用2阶耦合腔进行滤波器的设计。加载了crlh结构的qmsiw结构，其体积相较于传统siw缩小到原来体积的四分之一甚至更多。但是这仅实现了谐振腔体的小型化，使得体积很小的谐振腔能够实现大体积谐振腔所具有的谐振响应。进一步通过电磁耦合的手段将至少两个谐振腔进行电/磁耦合，使得谐振腔各自的谐振点相互牵引，才能够实现滤波的效果。

14、进一步的，所述小型化宽带siw滤波器采用金-金热压键合的方式进行加工制作。将一个qmsiw器件剖分成上下两片并分别制作，最后通过热压键合成为统一的整体结构。该键合过程中的温度、压力和时长对滤波器最终的效果均有很大影响。如果热压时间过长一方面会使得金属扩散至基底材料，导致基底损耗增加；再一点即热压造成的尺寸参数与设计标准相去甚多。所以本发明在设计和加工方面均有一定的创新和突破。

15、进一步的，所述qmsiw结构谐振腔包括全金属圆形通孔、感性耦合窗口以及谐振腔体。无论采用传统siw结构还是qmsiw结构均对金属通孔的半径、通孔之间的间距以及siw结构的宽度有十分严格的要求。否则过小的通孔和较大的间距均会造成电磁波的泄露，从而导致损耗增加。具体的尺寸要求如下：s/d＜2,d/w＜0.1，s是金属通孔圆心之间的间距，d为金属通孔的直径，w则是siw结构的宽度。

16、进一步的，所述感性耦合窗口是指在两个腔体之间并非完全用金属通孔隔离，而是抽出部分金属通孔形成一类似“窗口”的非金属包围区。该区域的长度以及窗口两旁金属通孔的半径、间距均影响着耦合的效果。其中窗口的长度对电磁耦合的影响最为显著。

17、进一步的，所述加载crlh结构采用倾斜叉指结构，该结构包括数根(本发明采用7阶倾斜叉指结构)指状金属带条以及相互耦合的非金属间距。其中金属带条的长度以及宽度均会影响谐振腔的谐振频率。此外，金属带条之间的非金属缝隙决定着耦合强度的大小，通过改变间距的大小也可实现对谐振响应的调整。

18、进一步的，所述倾斜叉指结构，为了增加阻带抑制特性、提高带宽，也采用加载ebg的方式进行改进。在已经刻蚀完成的金属叉指带条上进一步刻蚀出形状不同的圆孔，通过调整圆孔的大小、位置来控制阻带以及杂散通带的抑制效果。

19、进一步的，所述加载crlh结构为了减小其辐射特性，从而减小电磁损耗，将该crlh结构刻蚀在qmsiw结构的中间层，而非传统的方式刻蚀在顶层金属层。如果刻蚀于顶层金属，则该腔体效果类似缝隙天线，电磁波会通过缝隙传播到远场造成电磁损耗。本发明创新性地将其放置于中间金属层，减小了体积的同时也避免了电磁辐射造成的损耗。

20、本发明的用于卫星通信的小型化宽带siw滤波器，具有以下优点：

21、不同于传统通信所采用的微带线或者带状线结构，本发明中采用功率容量更高、质量因数(q值)更高的siw结构作为设计基础，采用四分之一模基片集成波导(qmsiw)及复合左手/右手结构(crlh)的技术手段实现射频滤波器的小型化。此外通过加载电磁带隙结构(ebg)实现高选择特性、宽带特性以及对阻带的强抑制效果。

22、滤波器主要模块包括电磁带隙ebg结构的馈电端口、siw谐振腔；感性耦合窗口模块以及crlh结构。输入/输出端口采用渐变线进行阻抗匹配，此外还通过在输入输出端口刻蚀缝隙结构来实现ebg加载；qmsiw腔体部分利用电磁波分布的对称性对siw谐振腔进行切割，qmsiw的体积缩小为整个siw结构的四分之一；利用倾斜叉指结构实现crlh结构加载，并在叉指金属上加载ebg结构，以求进一步抑制杂波。本发明降低了卫星通信器件的尺寸和质量，同时满足卫星通信多通信模式的要求。该滤波器基于siw结构，具有高功率容量和高q值的特点，降低卫星通信成本的同时也提高了通信质量。