CN102299394B - 超常媒质超高频带通滤波器 - Google Patents

Abstract

超常媒质超高频带通滤波器，涉及无线通信的微波滤波器，解决了目前超常媒质滤波器的工作频段主要在10GHz以下的问题，它包括多个开口谐振环、金属条、一号电容、二号电容、基底、空气槽、一号信号线、二号信号线和地线，在基底的下表面中线位置向上开有长方体的空气槽，金属条粘接在空气槽顶部的中间，开口谐振环由相同材质的内环和外环组成，多个开口谐振环排列成一行、非接触的放置在金属条的正上方的基底的上表面上，一号信号线的右端连通在开口谐振环阵列的左端的谐振环的外环，二号信号线的左端连通在谐振环阵列的右端的开口谐振环的外环，一号信号线的左端为输入端，二号信号线的右端为输出端，用于无线通信系统中滤除谐波，抑制杂散。

Description

超常媒质超高频带通滤波器

技术领域

本发明涉及无线通信的微波滤波器。

背景技术

滤波器在无线通信系统中至关重要，起到频带和信道选择的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。带通滤波器允许给定频段或频道的信号通过，而抑制频率低于和高于通频带的信号。随着无线通信的飞速发展和微波电路的高度集成化，作为通信系统关键部件的滤波器也要求向高性能、小型化的方向发展。平面结构滤波器具有小尺寸、通过光刻技术易于加工、与其它有源电路元件易于兼容等优点，在现代滤波器的设计中被寄予厚望。平面结构滤波器小型化和提高性能的新技术有基于集成波导、缺陷地结构、超常媒质结构和双模谐振器等。

超常媒质(Metamaterial)也称作“异向介质”或“左手介质”，是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其性质由它的单元结构决定，而不是由材料的化学成分来决定。通过单元结构的设计我们可以实现自然界不存在的介电常数及磁导率，如小于零、等于零等，从而突破现有原理和技术的限制，灵活调控光及电磁波；这些材料的出现意味着人们可以在不违背基本物理学规律的前提下，人工获得与自然媒质迥然不同的超常物理性质的“新媒质”。超常媒质为经典电磁理论开辟了崭新的研究空间，并在卫星通信、移动通信、雷达、武器、微电子、超声波成像和医学成像等领域均有极大的应用前景。

为解决目前谐振波长的滤波器存在尺寸大、损耗大的问题的研究工作已全面展开，超常媒质结构的滤波器取代传统滤波器已是必然趋势，广泛应用于滤波器的超常媒质结构主要有开口谐振环(SRR)和互补开口谐振环(CSRR)，工作频带越高，制作出高性能（如带宽大、插入损耗小）的滤波器的难度也越大，目前超常媒质滤波器的工作频段主要在10GHz以下。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前超常媒质滤波器的工作频段主要在10GHz以下的问题，提供一种超常媒质超高频带通滤波器。

超常媒质超高频带通滤波器，它包括多个开口谐振环、金属条、一号电容、二号电容、基底、空气槽、一号信号线、二号信号线、一号地线和二号地线，在基底的下表面中线位置向上开有长方体的空气槽，金属条粘接在空气槽顶部的中间，开口谐振环由相同材质的内环和外环组成，内环和外环的开口方向相反且在同一平面内，多个开口谐振环(1)并排邻近排列成一行构成谐振环阵列、非接触的放置在金属条的正上方的基底的上表面上，使全部多个开口谐振环的外环开口向右、内环开口向左，一号信号线的右端连通在谐振环阵列的左端的开口谐振环的外环，二号信号线的左端连通在谐振环阵列的右端的开口谐振环的外环，一号信号线的左端为滤波器的输入端，二号信号线的右端为滤波器的输出端，与一号信号线、谐振环阵列和二号信号线相隔离开的一部分区域的表面上涂有金属层的是一号地线，与一号信号线、谐振环阵列和二号信号线相隔离开的另一部分区域的表面上涂有金属层的是二号地线，一号电容串联在一号信号线的中间，二号电容串联在二号信号线的中间。

本发明的创新点在于采用了开口谐振环和金属条构成的周期结构、在信号线上刻蚀电容和在基底刻蚀空气槽的方法来设计带通滤波器，它具有通带宽、带内平坦和插入损耗小的特点；滤波器的工作频段在16GHz～20GHz之间；同时，本发明的带通滤波器属于平面结构，易于加工，生产成本低，可广泛应用于微波通信系统中，本发明满足了微波通信系统中对滤波器的小型化和高性能这两个关键技术要求。

附图说明

图1为本发明的俯视图，图2为图1的A向视图，图3为图1的B向视图，图4为本发明开口谐振环和金属条的结构示意图，图5是超常媒质区域的等效介电常数和磁导率示意图，图中灰色区域是左手区域；图6是仿真测得的插入损耗(S21)和回波损耗(S11)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括多个开口谐振环1、金属条2、一号电容3-1、二号电容3-2、基底4、空气槽5、一号信号线6-1、二号信号线6-2、一号地线7-1和二号地线7-2，在基底4的下表面中线位置向上开有长方体的空气槽5，金属条2粘接在空气槽顶部的中间，开口谐振环1由相同材质的内环和外环组成，内环和外环的开口方向相反且在同一平面内，多个开口谐振环1并排邻近排列成一行、非接触的放置在金属条2的正上方的基底4的上表面上，使全部多个开口谐振环1的外环开口向右、内环开口向左，一号信号线6-1的右端连通在多个开口谐振环1阵列的左端的开口谐振环1的外环，二号信号线6-2的左端连通在多个开口谐振环1阵列的右端的开口谐振环1的外环，一号信号线6-1的左端为滤波器的输入端，二号信号线6-2的右端为滤波器的输出端，与一号信号线6-1、多个开口谐振环1阵列和二号信号线6-2相隔离开的一部分区域的表面上涂有金属层的是一号地线7-1，与一号信号线6-1、多个开口谐振环1阵列和二号信号线6-2相隔离开的另一部分区域的表面上涂有金属层的是二号地线7-2，一号电容3-1串联在一号信号线6-1的中间，二号电容3-2串联在二号信号线6-2的中间。

本发明基于共面波导，由开口谐振环1(SRR)和金属条2所构成的周期结构所组成，开口谐振环1和金属条2构成的周期结构用于产生超常媒质的通频带，电容的作用是得到较好的带外抑制，在基底中刻蚀空气槽是为了降低插入损耗。在14.8GHz～20.1GHz之间的回波损耗大于10dB，在16GHz～20GHz之间的插入损耗小于2dB，3dB带宽大于30%。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是超常媒质超高频带通滤波器的总面积是15.5mm×9mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是基底4采用相对介电常数为11.9的硅，厚度为1mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是一号信号线6-1、二号信号线6-2宽为1mm，与一号地线7-1的间距为0.6mm，与二号地线7-2的间距为0.6mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是开口谐振环1的外环边长为1mm，内环边长为0.5mm，开口缝隙为0.15mm，单元间距为0.1mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是基底4中刻蚀的空气槽5的体积为6.5mm×1mm×0.55mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

在基底中刻蚀空气槽是为了降低插入损耗。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是金属条2被放置在开口谐振环1的正下方距离为0.45mm，长度为6.5mm，宽度和厚度都为0.1mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是一号电容3-1、二号电容3-2是缝隙宽度为0.05mm的电容。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是多个开口谐振环1、一号信号线6-1、二号信号线6-2、一号地线7-1和二号地线7-2采用铜，厚度为0.1mm。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

Claims (9)

1.超常媒质超高频带通滤波器，其特征是它包括多个开口谐振环(1)、金属条(2)、一号电容(3-1)、二号电容(3-2)、基底(4)、空气槽(5)、一号信号线(6-1)、二号信号线(6-2)、一号地线(7-1)和二号地线(7-2)，在基底(4)的下表面中线位置向上开有长方体的空气槽(5)，开口谐振环(1)由相同材质的内环和外环组成，内环和外环的开口方向相反且在同一平面内，多个开口谐振环(1)并排邻近排列成一行构成谐振环阵列、非接触的放置在金属条(2)的正上方的基底(4)的上表面上，使全部多个开口谐振环(1)的外环开口向右、内环开口向左，一号信号线(6-1)的右端连通在谐振环阵列的左端的开口谐振环(1)的外环，二号信号线(6-2)的左端连通在谐振环阵列的右端的开口谐振环(1)的外环，一号信号线(6-1)的左端为滤波器的输入端，二号信号线(6-2)的右端为滤波器的输出端，与一号信号线(6-1)、谐振环阵列和二号信号线(6-2)相隔离开的一部分区域的表面上涂有金属层的是一号地线(7-1)，与一号信号线(6-1)、谐振环阵列和二号信号线(6-2)相隔离开的另一部分区域的表面上涂有金属层的是二号地线(7-2)，一号电容(3-1)串联在一号信号线(6-1)的中间，二号电容(3-2)串联在二号信号线(6-2)的中间。

2.根据权利要求1所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于超常媒质超高频带通滤波器的总面积是15.5mm×9mm。

3.根据权利要求1或2所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于基底(4)采用相对介电常数为11.9的硅，厚度为1mm。

4.根据权利要求3所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于一号信号线(6-1)、二号信号线(6-2)宽为1mm，与一号地线(7-1)的间距为0.6mm，与二号地线(7-2)的间距为0.6mm。

5.根据权利要求1所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于开口谐振环(1)的外环边长为1mm，内环边长为0.5mm，开口缝隙为0.15mm，单元间距为0.1mm。

6.根据权利要求1所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于基底(4)中刻蚀的空气槽(5)的体积为6.5mm×1mm×0.55mm。

7.根据权利要求1所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于金属条(2)被放置在开口谐振环(1)的正下方距离为0.45mm，长度为6.5mm，宽度和厚度都为0.1mm。

8.根据权利要求1所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于一号电容(3-1)、二号电容(3-2)是缝隙宽度为0.05mm的电容。

9.根据权利要求1所述超常媒质超高频带通滤波器，其特征在于多个开口谐振环(1)、一号信号线(6-1)、二号信号线(6-2)、一号地线(7-1)和二号地线(7-2)采用铜，厚度为0.1mm。

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