CN104882652A - 一种超宽带太赫兹波纹滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带太赫兹波导滤波器，所述滤波器包括：标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、波导短路支节、谐振波导腔，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称，实现了能够在太赫兹频段的超宽带滤波功能，加工简单，结构稳定，安装误差较小的技术效果。

Description

一种超宽带太赫兹波纹滤波器

技术领域

本发明涉及波导滤波器研究领域，尤其涉及一种超宽带太赫兹波导滤波器。

背景技术

随着超宽带技术的发展，超宽带滤波器也变得越来越重要，对超宽带滤波器的要求也越来越高，新技术、新工艺的出现使得超宽带滤波器的设计理论也不断丰富和完善，但目前超宽带滤波器结构的发展主要集中在微带线、悬置微带线以及共面波导中，这些结构主要应用在低频段或者微波、毫米波频段，当通信频段升到太赫兹频段以后这些结构就会面对诸如设计结构选择少、加工难、加工精度低以及实物测试结果恶化严重等一系列的问题，因此在高频频段的滤波器主要使用波导传输元件设计，例如E面金属膜片波导滤波器、H面电感膜片滤波器、鳍线滤波器等，这些波导滤波器设计简单、加工方便、易批量生产且具有较高的Q值和良好的滤波特性等优点而在毫米波频段获得了广泛的应用，但在太赫兹频段由于波长变得很短，上述形式滤波器的各项尺寸会变得很小，造成实物结构不稳定、安装误差较大，且国内的加工精度已无法满足设计的需求，更重要的是上述波导结构想要做到超宽带是很困难的。

随着无线通信技术及无线多媒体业务的飞速发展，超宽带（UWB）技术受到越来越多研究人员的关注，超宽带以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干扰能力强等优点，具有非常广阔的应用前景和相当巨大的市场价值。虽然美国军方以及航空界对于开放超宽带频段民用仍然存在着意见分歧，但是由于超宽带技术潜在的诱人的应用前景，美国联邦通讯委员会（FCC）于2002年2月批准了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用。这为超宽带技术产品的商业化应用打开了大门，促进了超宽带系统及其器件研究的进展。由于超宽带技术可适用的领域十分广泛，为了便于管理，FCC将超宽带系统分为三类：一是成像系统，包括地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统和医疗成像系统；二是车载雷达系统；三是室内超宽带系统。

目前国内外超宽带滤波器设计的主要方法有：

1. 微带多模谐振器法

所谓多模谐振器是指在通带内有多个谐振模式的谐振器。多模谐振器有很多种形式，其中最早应用于超宽带滤波器的为半波长阶跃阻抗谐振器（SIR），其原理是利用SIR阻抗比和电长度来控制基频和谐波位置，使得谐振器的多个谐振点分布于整个超宽带内，然后通过平行耦合线馈电，实现平坦的超宽带特性。

2. 混合微带/共面波导法

微带与共面波导混合结构可充分利用微带线上下两层空间，使电路更加紧凑，同时，微带与共面波导正对，两者间的电磁场耦合非常强，可方便实现所需要的强耦合，常见的混合结构是微带馈电共面波导谐振器超宽带滤波器，电路采用微带馈线，同时引入了源负耦合，从而在上下阻带产生多个零点。宽边耦合结构在通带内产生多个极点，使得滤波器通带内反射损耗降低。共面波导的间隙宽度影响传输线特性阻抗，从而可用来改变耦合线的阻抗，来控制谐振器各谐振峰的位置。

3.滤波器级联方法

滤波器级联技术是实现超宽带较为简单和有效的方法。通过把一个高通滤波器和一个低通滤波器串联，实现超宽带特性。这种方法实现的电路简单，方法比较直观，同时实现的滤波器阻带比较宽。

但当频段上升到毫米波乃至太赫兹频段时上述三种比较主流的结构已不再实用，而是改用波导传输元件实现滤波器特性，其中应用最广泛的是金属膜片插入波导、纯腔体波导、鳍线插入波导等滤波器结构，这些结构构成的滤波器都是通过在波导内引入不连续结构实现相应的感抗元件，并与相应频段的谐振腔进行级联来实现滤波功能，比如E面金属膜片波导滤波器就是在标准波导的宽面中央插入金属膜片，通过金属膜片的长度控制多个谐振腔之间的耦合来实现滤波功能，但这种插入式滤波器在高频频段会面对插入的金属膜片或者基片会变得很小，且易形变等一系列的问题。

现有的超宽带滤波器结构主要是应用在低频频段的设计，其结构在高频段不易加工，装配误差大，加工精度要求过高，存在于高频频段的波导滤波器结构很多也具有上述的问题，比如现有的E面金属膜片波导滤波器随着频率的升高金属膜片的尺寸会变得很小，特别是金属膜片的第一级金属膜片长度减小更加剧烈，在高频频段，第一级金属膜片长度太短不易加工、实物易变形断裂，且插入型波导滤波器结构因在腔体内存在电流消耗元件会造成插入损耗的恶化。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的超宽带太赫兹波导滤波器存在结构不稳定、安装误差较大，不易加工加工精度要求较高，较难实现超宽带的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种超宽带太赫兹波导滤波器，解决了现有的超宽带太赫兹波导滤波器存在结构不稳定、安装误差较大，不易加工，加工精度要求较高，较难实现超宽带的技术问题，实现了能够在太赫兹频段的超宽带滤波功能，加工简单，结构稳定，安装误差较小的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种超宽带太赫兹波导滤波器，所述滤波器包括：

标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、波导短路支节、谐振波导腔，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称。

其中，所述N个波导短路支节并联连接在所述减高波导上。

其中，所述谐振波导腔的宽度与所述减高波导的宽度一致。

其中，所述滤波器左端的减高波导上两侧互相对称的波导短路支节组成一个慢波单元，所述滤波器右端的减高波导上两侧互相对称的波导短路支节组成另一个慢波单元，所述2个慢波单元级联且互相对称。

其中，所述每个慢波单元中N个波导短路支节之间间距相等，且间距为0.12mm。

其中，所述谐振波导腔的长度为0.7mm，所述减高波导的窄边长度为0.3mm，标准矩形波导窄边长度为b0=0.356mm , 减高波导的窄边长度为b1=0.3mm ,短路支节窄边长度为b2=0.2mm , 标准矩形波导传输长度为（该长度可以改变）L0=1mm , 减高波导匹配长度为L1=0.6mm , 谐振波导腔的长度为L2=0.7mm , 弧形渐变波导弧形半径为r0=0.17mm , 短路支节倒角半径为r2=0.1mm ,短路支节之间的间距为 w=0.12mm , 短路支节的长度为h=0.6mm。

其中，所述标准矩形波导、所述弧形渐变波导、所述减高波导、所述波导短路支节、所述谐振波导腔均为腔体结构。

其中，所述波导短路支节分布在波导H面，加工时平行于E面切开，H面是指在标准矩形波导中平行于传输主模TE10模式中磁场的面，E面是指平行于传输主模TE10模式中电场的面；具体的说窄边为E面 宽边为H面。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了将超宽带太赫兹波导滤波器设计为包括：标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、波导短路支节、谐振波导腔，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称的技术方案，即采用纯腔体结构来设计滤波器并通过短路支节构成慢波结构实现的波纹滤波器，通过调节短路枝节使滤波器具有超宽的带宽，带宽可达70GHz，纯腔体滤波器不需要添加额外的结构，安装更加简单，而且对加工的精度要求也比较低，国内现有加工技术即可实现，由于在腔体内不存在金属结构，场能在通过的时候消耗较低，因此滤波器具有很好的带内插损，相比现有技术，该发明能应用到更高的频段，相比现有的技术，本方案加工更加方便，装配简单，采用在波导H面上添加短路支节构成慢波结构，加工时可从E面切开，加工误差影响较小，所以，有效解决了现有的超宽带太赫兹波导滤波器存在结构不稳定、安装误差较大，不易加工，加工精度要求较高，较难实现超宽带的技术问题，进而实现了能够在太赫兹频段的超宽带滤波功能，加工简单，结构稳定，安装误差较小的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中超宽带太赫兹波导滤波器的整体电路示意图；

图2是本申请实施例一中超宽带太赫兹波导滤波器的结构示意图；

图3是本申请实施例一中单个慢波单元结构及其电场分布示意图；

图4是本申请实施例一中单个慢波结构的仿真结果示意图；

图5是本申请实施例一中两个个慢波结构的仿真结果示意图；

其中，1-标准矩形波导，2-弧形渐变波导，3-减高波导，4-6、9-11波导短路支节，7-谐振波导腔，8-倒角。

具体实施方式

本发明提供了一种超宽带太赫兹波导滤波器，解决了现有的超宽带太赫兹波导滤波器存在结构不稳定、安装误差较大，不易加工，加工精度要求较高，较难实现超宽带的技术问题，实现了能够在太赫兹频段的超宽带滤波功能，加工简单，结构稳定，安装误差较小的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了将超宽带太赫兹波导滤波器设计为包括：标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、波导短路支节、谐振波导腔，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称的技术方案，即采用纯腔体结构来设计滤波器并通过短路支节构成慢波结构实现的波纹滤波器，通过调节短路枝节使滤波器具有超宽的带宽，带宽可达70GHz，纯腔体滤波器不需要添加额外的结构，安装更加简单，而且对加工的精度要求也比较低，国内现有加工技术即可实现，由于在腔体内不存在金属结构，场能在通过的时候消耗较低，因此滤波器具有很好的带内插损，相比现有技术，该发明能应用到更高的频段，相比现有的技术，本方案加工更加方便，装配简单，采用在波导H面上添加短路支节构成慢波结构，加工时可从E面切开，加工误差影响较小，所以，有效解决了现有的超宽带太赫兹波导滤波器存在结构不稳定、安装误差较大，不易加工，加工精度要求较高，较难实现超宽带的技术问题，进而实现了能够在太赫兹频段的超宽带滤波功能，加工简单，结构稳定，安装误差较小的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种超宽带太赫兹波导滤波器，请参考图1-图5，所述滤波器包括：

标准矩形波导1、弧形渐变波导2、减高波导3、波导短路支节4-6和9-11、谐振波导腔7，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角8，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称。

其中，在本申请实施例中，所述N个波导短路支节并联连接在所述减高波导上；这样设计的目的是：电场在通过每个支节时电场进入短路支节并发生方向的改变，变为与原电场垂直的电场，变化后的电场在短路支节内传播并反射回主波导内继续传播，这样通过N并联支节的串联构成慢波结构实现滤波功能。

其中，在本申请实施例中，所述谐振波导腔的宽度与所述减高波导的宽度一致，因为一致的宽度可使滤波器的加工变得容易。

其中，在本申请实施例中，所述滤波器左端的减高波导上两侧互相对称的波导短路支节组成一个慢波单元，所述滤波器右端的减高波导上两侧互相对称的波导短路支节组成另一个慢波单元，所述2个慢波单元级联且互相对称。

其中，在本申请实施例中，所述每个慢波单元中N个波导短路支节之间间距相等，且间距为0.12mm；因为滤波器是对称的二端口元件，短路支节间的等间距可以使滤波器结构更加对称，也使设计更加方便、简单，通过一致的间距使到达每个短路支节的电场相位保持一致。

其中，在本申请实施例中，所述谐振波导腔的长度为0.7mm，所述减高波导的窄边长度为0.3mm，标准矩形波导窄边长度为b0=0.356mm , 减高波导的窄边长度为b1=0.3mm ,短路支节窄边长度为b2=0.2mm , 标准矩形波导传输长度为（该长度可以改变）L0=1mm , 减高波导匹配长度为L1=0.6mm , 谐振波导腔的长度为L2=0.7mm , 弧形渐变波导弧形半径为r0=0.17mm , 短路支节倒角半径为r2=0.1mm ,短路支节之间的间距为 w=0.12mm , 短路支节的长度为h=0.6mm。

其中，在本申请实施例中，通过设计和仿真可得到所诉的滤波器的各项尺寸，其中，标准波导采用窄边为b0=0.356mm来导通260GHz到400GHz的频率；长度为0.7mm谐振波导腔可以使谐振腔的谐振频率在320-340GHz范围内；减高波导的窄边取0.3mm比标准波导窄边小可以增大矩形波导的特性阻抗；短路枝节窄边的宽度和长度分别取0.2mm和0.6mm保证了滤波器的宽带特性和中心频率的位置；弧形渐变波导和倒角的半径是可变的，分别取0.17mm和0.1mm保证了可以使加工更方便，对加工精度的要求降低；短路支节的距离可调节带内的回波损耗通过优化可得在0.12mm处回波损耗最佳。

其中，最终达到0.1dB带宽为70GHz以上，回波损耗在带内小于-15dB，同时高频处在带外7%抑制达到了40dB，低频处在带外10%处抑制达到了45dB的效果。

其中，在本申请实施例中，所述标准矩形波导、所述弧形渐变波导、所述减高波导、所述波导短路支节、所述谐振波导腔均为腔体结构；其中，准矩形波导为WR-2.8；弧形渐变波导渐进波导通过倒角实现；减高波导宽度与标准波导WR-2.8保持一致短路支节窄边长度为0.3mm，其作用是为了提供阻抗匹配使能量更好的馈入；波导短路支节是一段宽边和主体保持一致，窄边为0.2mm的一段空波导，用来传输和反射电场；谐振波导腔为界面尺寸跟减高波导一致的空波导腔，起到提供传输电场及提供谐振点的作用。

其中，在本申请实施例中，所述波导短路支节分布在波导H面，加工时平行于E面切开，H面是指在标准矩形波导中平行于传输主模TE10模式中磁场的面，E面是指平行于传输主模TE10模式中电场的面；具体的说窄边为E面 宽边为H面。

其中，在实际应用中，下面结合附图和具体的例子对本申请中的技术方案进行详细的介绍：

本申请提供了一种超宽带太赫兹波导滤波器，包括标准矩形波导和波导短路支节，从左到右依次是标准矩形波导1、弧形渐变波导2、减高波导3、波导短路支节4、5、6及其对称支节、谐振波导腔7、倒角8；其中滤波器是对称的，短路支节前后对称的分布在波导窄边两侧；其中标准矩形波导口1用标准矩形波导WR-2.8(0.711*0.356mm)；其中弧形渐变波导2连接标准矩形波导1和减高波导3；其中减高波导3可以调节阻抗匹配使通带频段的能量更好的通过，减高波导的窄边长度为0.3mm；其中波导短路支节分布在波导H面，并联的连接在减高波导3上，对称分布的短路支节构成不连续结构并可对应成电抗或电感元件，多个并联短路支节的级联可形成慢波结构从而具有滤波特性，该例子中选择3个对称支节的级联；其中短路支节4、5、6及其对称支节9、10、11构成了一个慢波单元，每一个对称的短路支节可引入一个谐振点来增加带宽；其中谐振波导腔7作为两个慢波结构的连接腔体，其窄边的宽度与减高波导一致，长度为0.7mm；其中倒角8是在短路支节上的倒角，这样可以使加工更加精确（波导加工无法加工直角）；其中滤波器采用了两个对称的慢波单元结构来实现，多个单元的采用不仅可以用来增加带宽还可以提高带外抑制性能；其中在每个慢波单元中短路支节等间距分布，间距为0.12mm；其中短路支节长度可以调节滤波器的滤波特性，并在一定范围内控制中心频率；其中滤波器的各项尺寸如图2所示，分别为：b0=0.356mm , b1=0.3mm , b2=0.2mm , L0=1mm , L1=0.6mm , L2=0.7mm , r0=0.17mm , r2=0.1mm , w=0.12mm , h=0.6mm。

本申请中的滤波器通过引入短路支节构成的慢波结构实现滤波功能，短路枝节分布在波导的H面，通过多个短路支节引入的谐振点来实现滤波器的宽带特性，单个慢波单元如图3所示，其由三个对称支节构成，每个支节的长宽都可以调节，用来控制带宽和带内插损，每个支节都会引入波导的不连续结构，这些不连续结构在分析时可对应电抗或者感抗元件，其特性由支节长度来确定；由图3可知电场进入短路支节组成的慢波结构后会发生方向的改变，变为与原电场垂直的电场，变化后的电场在短路支节内传播并反射回主波导内继续传播；其电场分布如图3所示；单个慢波单元的仿真结果如图4所示；由图4可以清晰的看出单个慢波结构具有明显的3个谐振点对应三个对称短路支节；该滤波器的带宽高达约70GHz，且带内插入损耗小于0.05dB，这相比插入式波导滤波器的0.2dB（实物恶化很严重）得到了很大的改善，尤其是在实物测试中；但单个结构的带外抑制较差。

在对单个慢波结构进行分析以后采用多个单元的级联来增加带外抑制度，采用两个单元的滤波器结构如图1所示，为了特高滤波器的回波损耗性能，在波导的两端采用了波导减高的方式来进行阻抗匹配，其仿真结果如图5所示。

由图5可以看出该滤波器的0.1dB带宽为70GHz以上，回波损耗在带内小于-15dB，由滤波器的S曲线可以看出在滤波器的回波损耗在最高点时带内的插入损耗变化不大，都控制在0.1dB以内，这说明由于没有额外的电流消耗元件，其插入损耗有了提高，同时带外抑制也达到了较好的效果，高频处在带外7%抑制达到了40dB，低频处在带外10%处抑制达到了45dB，相比单个单元时，带外抑制特性有了极大的提高，级联慢波单元越多，其带外抑制性能就越好。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将超宽带太赫兹波导滤波器设计为包括：标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、波导短路支节、谐振波导腔，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称的技术方案，即采用纯腔体结构来设计滤波器并通过短路支节构成慢波结构实现的波纹滤波器，通过调节短路枝节使滤波器具有超宽的带宽，带宽可达70GHz，纯腔体滤波器不需要添加额外的结构，安装更加简单，而且对加工的精度要求也比较低，国内现有加工技术即可实现，由于在腔体内不存在金属结构，场能在通过的时候消耗较低，因此滤波器具有很好的带内插损，相比现有技术，该发明能应用到更高的频段，相比现有的技术，本方案加工更加方便，装配简单，采用在波导H面上添加短路支节构成慢波结构，加工时可从E面切开，加工误差影响较小，所以，有效解决了现有的超宽带太赫兹波导滤波器存在结构不稳定、安装误差较大，不易加工，加工精度要求较高，较难实现超宽带的技术问题，进而实现了能够在太赫兹频段的超宽带滤波功能，加工简单，结构稳定，安装误差较小的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种超宽带太赫兹波导滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：

标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、波导短路支节、谐振波导腔，其中，标准矩形波导、弧形渐变波导、减高波导、谐振波导腔、减高波导、弧形渐变波导、标准矩形波导从左到右依次连接组成所述滤波器，所述减高波导两侧均设有N个波导短路支节，所述N为大于等于2的正整数，所述波导短路支节末端设有倒角，所述滤波器关于所述滤波器的水平中线和竖直中线均对称。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述N个波导短路支节并联连接在所述减高波导上。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述谐振波导腔的宽度与所述减高波导的宽度一致。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器左端的减高波导上两侧互相对称的波导短路支节组成一个慢波单元，所述滤波器右端的减高波导上两侧互相对称的波导短路支节组成另一个慢波单元，所述2个慢波单元级联且互相对称。

5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述每个慢波单元中N个波导短路支节之间间距相等，且间距为0.12mm。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述标准矩形波导窄边长度为b0=0.356mm , 减高波导的窄边长度为b1=0.3mm ,短路支节窄边长度为b2=0.2mm , 标准矩形波导传输长度为L0=1mm , 减高波导匹配长度为L1=0.6mm , 谐振波导腔的长度为L2=0.7mm , 弧形渐变波导弧形半径为r0=0.17mm , 短路支节倒角半径为r2=0.1mm ,短路支节之间的间距为 w=0.12mm , 短路支节的长度为h=0.6mm。

7.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述标准矩形波导、所述弧形渐变波导、所述减高波导、所述波导短路支节、所述谐振波导腔均为腔体结构。

8.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述波导短路支节分布在波导H面，加工时平行于E面切开，H面是指在标准矩形波导中平行于传输主模TE10模式中磁场的面，E面是指平行于传输主模TE10模式中电场的面。