CN104681903A - 基于srr和ds-csrr的新型可控双通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于开环谐振器（SRR）与双开口互补开环谐振器（DS-CSRR）的可控双通带滤波器，采用基本滤波单元的二级级联结构，它包括输入端口1、输出端口2、第一级SRR谐振器3、第二级SRR谐振器4、第一级DS-CSRR谐振器5、第二级DS-CSRR谐振器6、上层介质基板7、中层介质基板8、下层介质基板9和接地板10。两个窄通带中心频率分别为1.02GHz和1.50GHz，相对带宽分别为2%与3%。该滤波器的优点在于，在对两个通带的中心频率进行设计和调整时，它们彼此并不产生明显的相互影响，这极大提高了滤波器通带设计的灵活性与简便性，具有较高的实用价值。

Description

基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器

技术领域

本发明涉及基于开环谐振器（SRR）与双开口互补开环谐振器（DS-CSRR）的可控双通带滤波器，采用基本滤波单元的二级级联结构，两个窄通带中心频率分别为1.02GHz和1.50GHz，相对带宽分别为2%与3%。该滤波器的优点在于，在对两个通带的中心频率进行设计和调整时，它们彼此并不产生明显的相互影响，这极大提高了滤波器通带设计的灵活性与简便性，具有较高的实用价值。 

背景技术

左手材料意指在某一频段内介电常数与磁导率同为负值的材料，由前苏联物理学家Veselago于1968年首次提出。左手材料与常规材料的不同之处在于，当介电常数与磁导率同时为负时，电场、磁场与电磁波传播方向构成左手关系，这导致了负折射率、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射等一系列奇特现象。鉴于这种材料奇异的电磁特性，逐渐出现了其在微波器件领域的应用，如基于左手材料传输线的前向波方向耦合器、宽带相移器、放大器等，这些微波器件的显著特点有尺寸小、性能优良、设计新颖等，推进了射频系统设计的小型化、集成化进程。 

无线微波通信系统的飞速发展对微波器件的多通带、紧凑小型化等提出了更高要求，例如将GSM、CDMA及ISM开放的诸频段功能模块集中于同一平台。为了满足这种多通带整合的要求，出现了双通带微波器件的设计热潮，如天线、整流天线、耦合器、带通滤波器等。本发明借助SRR与DS-CSSR结构的左手特性，设计出了一款相对带宽、中心频率可独立调整的双通带窄带滤波器。事实上，由于SRR、DS-SSR及它们的互补结构CSRR、DS-CSRR所构造的谐振器尺寸比谐振频率处的波长小很多，故而这些结构的应用为微波器件的小型化设计做出了有益贡献。 

需要指出的是，基于SRR和CSRR的带宽可控的双通带带通滤波器已经出现并呈现出了优良性能，但由于在设计相对带宽时缺乏灵活性，故而严重限制了其在多通带射频系统中的应用。本发明提出的基于SRR和DS-CSRR的双通带滤波器，可以将高通带中心频率灵活地设计于低通带与二倍低通带中心频率间的任意频点。并且，两个通频带之间实现了传输零点，这很好地抑制了低通带的高次谐振。 

通过仿真计算可以得到SRR谐振器与DS-CSRR谐振器间的耦合系数（为两个谐振器添加集总端口激励），结果表明，两个谐振器间的耦合系数在谐振频率附近的幅度值低于12dB，亦即在设计两个谐振器的谐振频率时，可以忽略它们之间的相互影响。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种带宽和中心频率单独可控的双通带滤波器。如图5所示，本发明提出的可控双通带滤波器由10部分构成，分别是输入端口1、输出端口2、第一级SRR谐振器3、第二级SRR谐振器4、第一级DS-CSRR谐振器5、第二级DS-CSRR谐振 器6、上层介质基板7（选用材料为RO3010，其损耗角正切为0.0035，相对介电常数为10.2）、中层介质基板8（介质材料的损耗角正切为0.004，相对介电常数为2.6）、下层介质基板9（选用材料为RO3010，其损耗角正切为0.0035，相对介电常数为10.2）和接地板10。该滤波器两个级联部分的分界面11与输入端口所在平面平行，可将滤波器纵向分割为长度依次是l₂、l₂′的两部分，第一级SRR谐振器3和第一级DS-CSRR谐振器5处于第一部分中，第二级SRR谐振器4和第二级DS-CSRR谐振器6处于第二部分中。 

两级SRR谐振器的外形均如图2所示，具体尺寸有所区别；两级DS-CSRR谐振器的外形均如图3所示，具体尺寸有所不同。图4给出了该双通带滤波器的等效LC谐振回路。 

本发明采用的技术方案： 

基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，第一通带（高通带，由谐振器SRR产生）中心频率为1.50GHz，相对带宽2%；第二通带（低通带，由谐振器DS-CSRR产生）中心频率为1.02GHz，相对带宽3%；两通带的等效带内波纹为0.4dB。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，整个滤波器由三层介质基板和三层铜导体压缩构成，自上而下依次为SRR层（由第一级SRR谐振器3与第二级SRR谐振器4组成）、上层介质基板7、中层介质基板8、DS-CSSR层（由第一级DS-CSRR谐振器5与第二级DS-CSRR谐振器6组成）、下层介质基板9和接地板10。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，整个滤波器可以被分界面11分割为两级，长度依次为l₂、l₂′，第一级SRR谐振器3和第一级DS-CSRR谐振器5处于第一级中，第二级SRR谐振器4和第二级DS-CSRR谐振器6处于第二级中。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，组成SRR层的第一级SRR谐振器3和第二级SRR谐振器4均由结构参数l₈、l₉、l₁₀、l₁₁、l₁₂、l₁₃、l₁₄、l₁₅、l₁₆、l₁₇、l₁₈、l₁₉和l₂₀所决定，对第一级SRR谐振器3，这13个参数的值分别是1.68mm、8.9mm、8.9mm、12.3mm、12.3mm、0.1mm、0.5mm、12.8mm、1.1mm、0.5mm、0.5mm、1.2mm、1.2mm；对第二级SRR谐振器4，这13个参数的值分别是1.62mm、8.9mm、8.9mm、12.8mm、12.8mm、0.1mm、0.5mm、14.1mm、1.1mm、0.5mm、0.5mm、1.2mm、1.2mm。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，上层介质基板7选用材料为RO3010，其损耗角正切为0.0035，相对介电常数为10.2，尺寸由l₁、l₂+l₂′、l₅决定，三个值分别是46mm、77mm、1.27mm。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，中层介质基板8选用的介质材料损耗角正切为0.004，相对介电常数为2.6，尺寸由l₁、l₂+l₂′、l₄决定，三个值分别是46mm、77mm、0.102mm。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，组成DS-CSSR层的第一级DS-CSRR谐振器5和第二级DS-CSRR谐振器6均由结构参数l₁、l₂（第二级DS-CSRR谐振器6对应的是l₂′）、l₂₃、l₂₄、l₂₅、l₂₆、l₂₇、l₂₈、l₂₉、l₃₀、l₃₁、l₃₂、l₃₃、l₃₄、l₃₅、l₃₆、l₃₇、l₃₈、l₃₉、l₄₀、l₄₁和l₄₂所决定，对第一级DS-CSRR谐振器5，这22个参数的 值分别是46mm、39.1mm、3.8mm、1mm、10.85mm、17.8mm、0.5mm、15.9mm、2.8mm、10.85mm、3.25mm、4.8mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm、3.1mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm；对第二级DS-CSRR谐振器6，这22个参数的值分别是46mm、37.9mm、3.8mm、0.4mm、10.85mm、17.8mm、0.5mm、15.9mm、2.24mm、10.85mm、2.65mm、4.8mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm、3.1mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，下层介质基板9选用材料为RO3010，其损耗角正切为0.0035，相对介电常数为10.2，尺寸由l₁、l₂+l₂′、l₃决定，三个值分别是46mm、77mm、1.27mm。 

所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，接地板10紧贴下层介质基板9的下表面，尺寸由l₁、l₂+l₂′决定，两个值分别是46mm、77mm。 

后文将结合附图及具体实施方式对发明内容进行详细论述。 

附图说明

图1是本发明所述新型可控双通带滤波器的立体示意图； 

图2是本发明所述新型可控双通带滤波器SRR谐振器的结构及尺寸说明图； 

图3是本发明所述新型可控双通带滤波器DS-CSRR谐振器的结构及尺寸说明图； 

图4是本发明所述新型可控双通带滤波器的LC等效谐振回路示意图； 

图5是本发明所述新型可控双通带滤波器的结构及尺寸立体说明图。 

符号说明： 

1是输入端口，2是输出端口、3是第一级SRR谐振器、4是第二级SRR谐振器、5是第一级DS-CSRR谐振器、6是第二级DS-CSRR谐振器、7是上层介质基板、8是中层介质基板、9是下层介质基板，10是接地板，11是两级滤波器的分界面。 

具体实施方式

本发明所述可控双通带滤波器的LC等效谐振回路如图4所示。由于SRR与DS-CSSR谐振器分别与馈线形成磁场耦合和电场耦合，馈线上的电流将感应出与SRR与DS-CSRR平面相正交的磁场分量与电场分量，进而激发相应的磁谐振与电谐振。SRR谐振器的谐振频率为 

$f_{\mathrm{upper}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}}---\left(1\right)$

DS-CSRR谐振器的谐振频率为 

$f_{\mathrm{lower}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2{C}_2}}---\left(2\right)$

其中，L₁和L₂分别为SRR谐振器与DS-CSRR谐振器外环的等效电感，C₁和C₂分别为SRR谐振器与DS-CSRR谐振器外环的等效电容。L₁和C₁的值取决于SRR外环宽度l₁₂、 槽宽l₈、缝隙宽度l₁₃、线宽l₁₈和内外环间距l₁₉。减小l₈、l₁₃、l₁₈的值或减小l₉的值（亦即固定l₁₂和l₁₈的值而减小l₁₉的值）将增大SRR谐振器的谐振频率。类似地，L₂和C₂的值取决于l₂₆、l₂₃、l₃₁-l₂₄、l₂₉和l₃₃（亦即l₄₀）的值。 

SRR谐振器的通频带带宽取决于SRR与输入、输出馈线间的耦合程度及比值而SRR谐振器与输入、输出馈线间的耦合程度与缝隙宽度l₁₃及馈线耦合宽度l₁₁紧密相关，减小l₁₃或增大l₁₁都能增强这种耦合，从而增加SRR谐振器的通频带带宽。类似地，DS-CSSR谐振器的通频带带宽取决于DS-CSSR与其输入、输出传输线间的耦合程度，且这种关系是成比例的线性关系，所涉及的具体参数为l₂₃及l₃₁-l₂₄。另外，增加槽宽l₂₉会降低DS-CSSR谐振器的品质因数，但同时会使其形成更宽的通频带。 

由于单级SRR、DS-CSSR双通带滤波器在两通带之间的阻带特性不理想，因而需要进行若干SRR谐振器及DS-CSSR谐振器的级联，这也是本发明采用两级谐振结构的原因。 

另外，通过仿真计算SRR谐振器与DS-CSRR谐振器间的耦合系数（为两个谐振器添加集总端口激励）可以发现，两个谐振器间的耦合系数在谐振频率附近的幅度值低于12dB，亦即在设计两个谐振器的谐振频率时，可以忽略它们之间的相互影响。该性质的意义在于，在设计SRR谐振器和DS-CSRR谐振器的通频带时可以单独考虑它们各自的相关参数，与双通带滤波器的传统设计方法（如应用多个阶跃阻抗谐振器结构的双通带滤波器设计）相比，本发明所述滤波器的双通带单独可控性具有明显优势。 

Claims (9)

1.基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，第一通带（高通带，由谐振器SRR产生）中心频率为1.50GHz，相对带宽2%；第二通带（低通带，由谐振器DS-CSRR产生）中心频率为1.02GHz，相对带宽3%；两通带的等效带内波纹为0.4dB。

2.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，整个滤波器由三层介质基板和三层铜导体压缩构成，自上而下依次为SRR层（由第一级SRR谐振器3与第二级SRR谐振器4组成）、上层介质基板7、中层介质基板8、DS-CSSR层（由第一级DS-CSRR谐振器5与第二级DS-CSRR谐振器6组成）、下层介质基板9和接地板10。

3.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，整个滤波器可以被分界面11分割为两级，长度依次为l₂、l₂′，第一级SRR谐振器3和第一级DS-CSRR谐振器5处于第一级中，第二级SRR谐振器4和第二级DS-CSRR谐振器6处于第二级中。

4.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，组成SRR层的第一级SRR谐振器3和第二级SRR谐振器4均由结构参数l₈、l₉、l₁₀、l₁₁、l₁₂、l₁₃、l₁₄、l₁₅、l₁₆、l₁₇、l₁₈、l₁₉和l₂₀所决定，对第一级SRR谐振器3，这13个参数的值分别是1.68mm、8.9mm、8.9mm、12.3mm、12.3mm、0.1mm、0.5mm、12.8mm、1.1mm、0.5mm、0.5mm、1.2mm、1.2mm；对第二级SRR谐振器4，这13个参数的值分别是1.62mm、8.9mm、8.9mm、12.8mm、12.8mm、0.1mm、0.5mm、14.1mm、1.1mm、0.5mm、0.5mm、1.2mm、1.2mm。

5.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，上层介质基板7选用材料为RO3010，其损耗角正切为0.0035，相对介电常数为10.2，尺寸由l₁、l₂+l₂′、l₅决定，三个值分别是46mm、77mm、1.27mm。

6.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，中层介质基板8选用的介质材料损耗角正切为0.004，相对介电常数为2.6，尺寸由l₁、l₂+l₂′、l₄决定，三个值分别是46mm、77mm、0.102mm。

7.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，组成DS-CSSR层的第一级DS-CSRR谐振器5和第二级DS-CSRR谐振器6均由结构参数l₁、l₂（第二级DS-CSRR谐振器6对应的是l₂′）、l₂₃、l₂₄、l₂₅、l₂₆、l₂₇、l₂₈、l₂₉、l₃₀、l₃₁、l₃₂、l₃₃、l₃₄、l₃₅、l₃₆、l₃₇、l₃₈、l₃₉、l₄₀、l₄₁和l₄₂所决定，对第一级DS-CSRR谐振器5，这22个参数的值分别是46mm、39.1mm、3.8mm、1mm、10.85mm、17.8mm、0.5mm、15.9mm、2.8mm、10.85mm、3.25mm、4.8mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm、3.1mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm；对第二级DS-CSRR谐振器6，这22个参数的值分别是46mm、37.9mm、3.8mm、0.4mm、10.85mm、17.8mm、0.5mm、15.9mm、2.24mm、10.85mm、2.65mm、4.8mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm、3.1mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、0.5mm、13.8mm。

8.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，下层介质基板9选用材料为RO3010，其损耗角正切为0.0035，相对介电常数为10.2，尺寸由l₁、l₂+l₂′、l₃决定，三个值分别是46mm、77mm、1.27mm。

9.根据权利要求1所述的基于SRR和DS-CSRR的新型可控双通带滤波器，其特征在于，接地板10紧贴下层介质基板9的下表面，尺寸由l₁、l₂+l₂′决定，两个值分别是46mm、77mm。