CN102347522B - 高频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高频滤波器，其利用超物质对电磁波产生的左手反应，并结合传统材料对电磁波的右手反应，而结合一个具有较大频宽的高频滤波器，该高频滤波器包含阵列排列且位于同一平面的多个滤波单元，每一滤波单元包含一第一金属层与一第二金属层以及一介电质层，且该第一金属层与该第二金属层分别层叠于该介电质层的相对应两侧，可应用于60GHz频率的滤波。

Description

高频滤波器

技术领域

本发明涉及一种高频滤波器，尤其涉及一种具有宽频带的高频滤波器。

背景技术

滤波器(filter)是无线通讯产品中的必备组件，其主要功能是用来分隔频率，即，滤波器可让带有某特定频率的信号通过，并阻断非特定频率外的信号。由于无线通讯市场的蓬勃发展，通讯质量的需求不断提高，信号接收装置需要高宽频且高效率的滤波器以处理所接收的高频信号，而高效率的滤波器不但可滤除不必要的干扰信号，还使高频信号具有宽频的使用率以及较佳的接收增益。

由于频宽越宽，数据下载的速率可随之大幅度提升，因此近几年来60GHz频段附近的无线传输研究与应用逐渐受到关注。受到美国联邦通讯委员会所制定的规范，在60GHz频段附近(57～64GHz)的无线通讯可享有近7GHz的免费频宽使用权，因此在国际通讯大厂如乐金(LG)、松下(Panasonic)、NEC、三星(Samsung)、新力(索尼，Sony)与东芝(Toshiba)组成的wireless HD group推波助澜下，60GHz的频段已可无线传输分辨率高达1920×1080p且未经压缩的高分辨视讯。在高频传输下，60GHz的频段可彻底落实无线沟通、高速传输的生活。

传统使用于商业化Wi-Fi、蓝牙等产品的带通型滤波器已有许多不同的型式，最普遍的是传输线滤波器，其单层或双层金属线结构可直接和其它元件一同整合在电路板上。然而，就目前的60GHz滤波器技术而言，此种类型的滤波器始终有低允许带频宽、高损耗(约2dB)以及允许带和禁止带间转换效率较差的问题，此外，传输线滤波器元件造成的群迟滞现象更会有造成的信号波形失真的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高频滤波器，此高频滤波器，可应用于60GHz的频段，并拥有较宽的允许带宽与较高的允许、禁止带转换效率。

为了实现前述目的，本发明利用超物质对电磁波产生的左手反应，并结合传统材料对电磁波的右手反应，而结合一个具有较大频宽的高频滤波器，该高频滤波器包含阵列排列且位于同一平面的多个滤波单元，每一滤波单元包含一第一金属层与一第二金属层以及一介电质层，且该第一金属层与该第二金属层分别层叠于该介电质层的相对应两侧。

本发明所提出的高频滤波器可应用于60GHz的频段，不仅允许带宽的范围高，且允许带与禁止带的转换快速。有关本发明的详细技术内容及优选实施例，配合附图说明如后。

附图说明

本发明的实施方式是结合附图予以描述的：

图1为本发明一实施例的外观立体示意图；

图2为本发明一实施例的结构分解示意图；

图3为本发明一滤波单元实施例的示意图；及

图4为本发明应用于电磁波穿透率对频率的关系图。

具体实施方式

本发明利用超物质(meta-materials)的概念，提出一种同时具备左手材料与右手材料特性的材料来形成高频滤波器。借由高频滤波器对电磁波产生额外的左手反应，并结合材料对电磁波的右手反应，而使电磁波能在高频的范围下，通过该高频滤波器而形成一较大频宽。须述明的是，为区别惯例上对“高频”的定义是在3MHz到30MHz的频段范围，本发明所谓的“高频”，是指频率介于1GHz～300GHz的频率范围，即包含惯例定义中的“特高频(ultra HighFrequency，UHF)”、“超高频(super high frequency，SHF)”与“极高频(extremely highfrequency，EHF)”的频段范围。以下先针对基本原理加以简介：

一般来说，自然界的常见物质多为右手物质，即电磁波通过右手物质时，其电场方向、磁场方向以及电磁波行进方向互相垂直，并符合右手开掌定则(拇指指向为电场方向，四指指向为磁场方向，掌心为行进方向)或右手螺旋定则。与右手物质相对的是左手性物质(Left Hand Materials)，电磁波通过左手性物质的特性恰巧与右手性物质相反，其电磁波行进方向与磁场、电场方向符合左手定则而有此一称。左手物质的特征用数学来描述的话，就是指物质的介电常数ε(permittivity)和透磁率(导磁率，permeability)μ为同时为负的。根据折射率公式：n2＝εμ，当介电常数ε、透磁率μ同时为负时，此时该物质会呈现负的折射率n。

一般介电物质(dielectric materials)大多利用本身所具备的介电常数和透磁率来影响电磁波的传播特性。在正常的情况下，右手材料的介电物质其介电常数ε和透磁率μ同时为正，因此其折射率可由上述折射率公式来计算。一般自然界的物质中，金属的介电常数ε通常为负，透磁率μ为负者则无所见。然而，从电磁学的观点来看，电磁波在介质的传递过程中，介质中的原子和分子并不是直接扮演影响电磁波的介电常数和透磁率的主角，因为电磁波的波长通常远大于介质内的原子和分子的结构。所以介质中的原子和分子是以一种等效的方式影响电磁波的传播。基于这个原理，可以利用调整介质对电磁波所呈现的结构，使电磁波穿过介质时具有负透磁率μ的效果，并搭配金属具负介电常数ε的特性而使电磁波面对金属介质时，呈现左手材料的特性而改变电磁波的传递行为。这种模仿自然界物质组成的人造结构称之为超物质。

本发明提出的高频滤波器结合右手的介电质材料与上述的左手超物质材料，而结合成一具高频宽的高频滤波器。详细说明及技术内容，现配合附图说明如下：

请参阅图1及图2所示，其为本发明一实施例的外观立体示意图及结构分解示意图，如图所示：本发明提供一种高频滤波器1，其包含阵列排列且位于同一平面的多个滤波单元10，每一滤波单元10包含一第一金属层11与一第二金属层12以及一介电质层13，该第一金属层11与该第二金属层12分别层叠于该介电质层13的相对应两侧。以该高频滤波器1进行滤波时，高频滤波器1可较佳地垂直电磁波的行进方向摆置，致使合乎高频滤波器1允许带的电磁波可通过该高频滤波器1，并获得较准确的滤波效果。承上，该高频滤波器1的尺寸范围也应该大于欲过滤的电磁波源，意即由该些滤波单元10所构成的高频滤波器1，其大小应当大于欲过滤的电磁波源范围，以免欲过滤的电磁波源未经高频滤波器1的阻挡滤波而穿越。因此，上述高频滤波器1中的滤波单元10的数量并无任何限制，只要多个滤波单元10所构成的高频滤波器1的范围能大于欲过滤的电磁波源范围即可。在上述一实施例中，该第一金属层11与该第二金属层12的材质考虑导电率较佳者，例如为银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)等。

该高频滤波器1的滤波频段是由该介电质层13的介电系数与该滤波单元10的尺寸来控制，而高频滤波器1的允许带宽则借由右手材料允许带与左手材料允许带的允许带联合(union)来决定。在右手部分，该介电质层13的介电常数与透磁率均为正值，因此属于右手材料而提供一右手的允许带。在左手部分，该第一金属层11与该第二金属层12本身的介电常数为负，若再搭配该第一金属层11、第二金属层12中间夹合于该介电质层13两端的层叠结构，会对电磁波产生等效的负透磁率，而使电磁波有一左手的允许带。其原理如下：当电磁波遭遇该高频滤波器1时，该电磁波会诱发(induce)该第一金属层11与该第二金属层12产生表面电流(surface current)。该第一金属层11与该第二金属层12上的表面电流在某些特定的电磁波频率下会反向流动，并互相形成一电流回路(current loop)，电流回路会感应新的电磁场(H-field)。当该第一金属层11与该第二金属层12产生电容共振(LC resonance)现象而使感应出的电磁场强度反向并大于电磁波自身电磁场强度时，该第一金属层11与该第二金属层12因而对电磁波产生等效的负透磁率。

以下的叙述将以上述结构应用于60GHz频段的滤波来说明。首先，该介电质层13的通过允许带频段与该介电质层13的介电系数有关。其中，介电系数的三次方与放大倍率成反比，因此可通过材料的选择，来获致不同的允许带频率。以60GHz的滤波来说，该介电质层13例如可使用市售的介电质Roger board5580，对应60GHz频段的滤波单元10尺寸则可参阅图3及下面的表1，其中该些尺寸数值仅为举例说明之用，不应视作本专利的限制。使用于其它频率的滤波时，仅须照比例改变滤波单元10的大小尺寸并搭配合乎上述介电质层13的材料选择，便可应用于其它频率的滤波。

其中，该第一金属层11与该第二金属层12的图形所构成的次波长结构(sub-wavelength structure，SWS)，其幅宽尺寸较佳地须符合经验公式而小于0.1倍的电磁波波长。另一方面，该第一金属层11与该第二金属层12中间可选择性开设一镂空区域14，该镂空区域14与该滤波单元10所形成的图形，可以四重对称(4-foldsymmetry)为考虑，例如为圆形或十字形，而使高频滤波器1保持较佳的滤波效果，如图3显示的滤波单元10，其第一金属层11与第二金属层12(请参见图2)的图形为正方形，且其中的镂空区域14为十字图形，但不以此为限。由于该高频滤波器1使用时是垂直电磁波行进方向摆设，因此电磁波的电场方向将平行高频滤波器1的表面，设计成如十字型或圆形等四重对称的图形，将可使高频滤波器1对不同电场方向的电磁波均保持一定的滤波效果。

表1

参数(parameter)	数值(value)(mm)
		ax	3
ay	3
		1	2.5
W	1
		m	0.01

请再参阅图4，其为上述高频滤波器1应用于60GHz的电磁波穿透率对频率的关系图，如图所示，在60GHz的频率上，本发明的高频滤波器1有约20GHz(50～70GHz)的极大允许带频宽，且禁止带与允许带的反射率转换图形类似一方波，因此有极佳的允许带与禁止带的转换效率。此外，由于电磁波在该高频滤波器1中的传递距离约略为滤波单元10的厚度，较传统传输线滤波器的滤离要小，因此几乎不会产生群迟滞现象。再者，信号源传递60GHz信号受到障碍物阻挡而导致接收效率不佳时，会将频率下移至WiFi波段，本发明的高频滤波器仍能具有过滤较低频信号的能力，因此不需要另外设置较低频率的滤波器，借此减少元件设置，降低所需滤波器的体积。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，非欲局限本发明专利的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效变化与修饰，均同理包含于本发明的权利保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高频滤波器，用于过滤中心频率为60GHz的一电磁波，所述高频滤波器包含阵列排列且位于同一平面的多个滤波单元，每一滤波单元包含一第一金属层与一第二金属层以及一介电质层，且所述第一金属层与所述第二金属层分别层叠于所述介电质层的相对应两侧，所述第一金属层和所述第二金属层由左手超物质材料构成。

2.根据权利要求1所述的高频滤波器，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层中心开设一镂空区域，所述镂空区域的图形为四重对称图形。

3.根据权利要求2所述的高频滤波器，其特征在于，所述镂空区域的图形为十字形。

4.根据权利要求2所述的高频滤波器，其特征在于，所述镂空区域的图形为圆形。

5.根据权利要求1所述的高频滤波器，其特征在于，所述滤波单元为一方形。

6.根据权利要求1所述的高频滤波器，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层的材质选自由银、铜、金以及铝所组成的群组中的任一种。

7.一种高频滤波器，所述高频滤波器包含阵列排列且位于同一平面的多个滤波单元，每一滤波单元包含一第一金属层与一第二金属层以及一介电质层，且所述第一金属层与所述第二金属层分别层叠于所述介电质层的相对应两侧，所述第一金属层和所述第二金属层由左手超物质材料构成。

8.根据权利要求7所述的高频滤波器，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层中心开设一镂空区域，所述镂空区域的图形为四重对称图形。

9.根据权利要求8所述的高频滤波器，其特征在于，所述镂空区域的图形为十字形。

10.根据权利要求8所述的高频滤波器，其特征在于，所述镂空区域的图形为圆形。

11.根据权利要求7所述的高频滤波器，其特征在于，所述滤波单元为一方形。

12.根据权利要求7所述的高频滤波器，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层的材质选自由银、铜、金以及铝所组成的群组中的任一种。

Images