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拓扑与电路 ★ 4.0

基于矩形波导-人工表面等离激元结构的锐截止毫米波滤波功分器

Millimeter-Wave Filtering Power Divider With Sharp Roll-Off Skirt Using Rectangular Waveguide-Spoof Surface Plasmon Polariton Structure

作者 Jianxing Li · Siyuan Lv · Weiyu He · Qinlong Li · Sen Yan · Kai-Da Xu
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年4月
技术分类 拓扑与电路
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 毫米波 滤波功分器 矩形波导 表面等离激元 滤波特性
语言:

中文摘要

本文提出了一种采用矩形波导(RW)类表面等离激元(SSPP)结构、具有陡峭滚降特性的全金属毫米波(mmWave)滤波功分器(FPD)。其上、下截止频率均取决于矩形波导 - 类表面等离激元单元的尺寸,可实现优异的滤波特性。在矩形波导中输入的 TE₁₀ 模电磁波,通过加载双面矩形波导 - 类表面等离激元结构,首先转换为 SSPP₁₂ 模,最后通过单面矩形波导 - 类表面等离激元结构转换为两个 SSPP₁₁ 模。为验证所提出的概念,制作并测试了一个原型。所提出的滤波功分器实现了从 22.1 GHz 到 27.5 GHz 的 3 dB 宽频带,30 dB 形状因子(SF)约为 1.15,这意味着具有陡峭的滚降特性。在工作带宽内,测得的回波损耗小于 10 dB,插入损耗小于 1 dB。两个输出端口之间测得的相位和幅度不平衡分别保持在 11° 和 0.68 dB 以下。

English Abstract

A full-metal millimeter-wave (mmWave) filtering power divider (FPD) featuring sharp roll-off skirt which employs rectangular waveguide (RW) spoof surface plasmon polariton (SSPP) structure is proposed in this article. Both upper and lower cut-off frequencies depend on the dimensions of RW-SSPP unit cells, realizing excellent filtering characteristic. The TE10 mode electromagnetic (EM) wave input in the RW is first converted to SSPP12 mode by loading double-sided RW-SSPP structure, which is finally transformed to two SSPP11 modes through single-sided RW-SSPP structure. To validate the proposed concept, a prototype is fabricated and measured. The proposed FPD achieves a wide 3-dB bandwidth from 22.1 to 27.5 GHz with a 30-dB shape factor (SF) of about 1.15, implying a sharp roll-off skirt. The measured return loss and insertion loss are less than 10 and 1 dB within the operation bandwidth, respectively. The measured phase and magnitude imbalances between the two output ports maintains below 11° and 0.68 dB, respectively.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项毫米波滤波功分器技术虽然专注于射频器件领域,但其底层设计理念对我司在高频电力电子系统中具有一定的参考价值。

该技术采用矩形波导-人工表面等离激元(RW-SSPP)结构实现了22.1-27.5 GHz的宽带滤波与功率分配,其核心优势在于全金属结构带来的高可靠性、陡峭的滚降特性(形状因子1.15)以及优异的幅相平衡性能。这些特性与阳光电源在大功率逆变器和储能变流器中对电磁兼容(EMC)、信号完整性的严苛要求存在技术共性。

**潜在应用价值方面**,该技术的滤波思路可为我司1500V及以上高压系统的电磁干扰抑制提供新思路。特别是在集中式光伏逆变器和储能PCS的高频开关环节,如何在保证功率密度的同时实现精准的频率选择和信号分配,一直是技术难点。其全金属结构的高可靠性设计理念也契合我司户外严苛环境下的应用需求。

**技术成熟度评估**显示,该方案仍处于学术验证阶段,且工作频段(毫米波)与电力电子系统的典型开关频率(数十至数百kHz)存在量级差异,直接移植难度较大。但其模式转换、阻抗匹配的设计方法论具有借鉴意义。

**技术挑战**在于如何将高频射频设计经验转化为适用于中低频大功率场景的解决方案,同时需要平衡成本与性能。建议我司技术团队关注其滤波网络拓扑优化思想,探索在母线滤波器、共模抑制等模块的创新应用可能性。