CN106129558A - 基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器 - Google Patents

基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器。该滤波器包括至少一个滤波单元，该滤波单元包括介质基板、传输线、互补开口谐振环和开环谐振器；其中传输线位于介质基板的顶层，加载了级联缝隙电容，且中间开有缝隙；开环谐振器也位于介质基板的顶层，并与传输线共面且位于传输线下方；互补开口谐振环位于介质基板的底层，且由同心的内环和外环构成，内环和外环的开口位置相反。本发明提供的滤波器在传统互补开口谐振环的基础上引入开环谐振器，在通带高端产生传输零点，改善了带外抑制特性和频率响应的不对称性。

Description

基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器。
背景技术
在一个通信系统中，在有源电路的输入输出级之间普遍存在滤波器，各滤波器有各自不同的功能。滤波器为无线通信系统一个不可缺少的器件，它的性能好坏直接关系整个系统的通信质量。滤波器的功能包括：避免由于发射端输出信号泄露而使接收器前端饱和；除去如镜频一类的干扰信号；减小来自天线端的本机振荡器的功率泄露；以及削弱同时存在的不同通信系统间的干扰等。
随着无线通信的发展，滤波器研究不断地取得新进展。现代蜂窝移动通信、无线局域网为代表的无线通信技术的发展，就会对部分相邻频段的频率选择产生干扰。一方面，需要对这些干扰进行抑制以提高系统的性能。另一方面，在某些场合也需要对上述无线干扰进行削弱以保护其它系统正常工作，例如当飞机导航系统工作时，就要求对飞机上用于无线接入目的的上述信号进行削弱。因此，如何设计性能优越的滤波器就显得非常必要。
目前，业内普遍使用的超材料传输线有两种。(一)复合左/右手传输线结构代替传统传输线，从集总等效传输线理论角度重构电路结构，通过传统传输线加载集总电容、电感构造超材料传输线，产生等效的负介电常数和负磁导率。由于寄生右手效应的不可避免，在某些频率范围内加载集总电抗元件呈主导作用，表现左手传播特性，具有负的等效介电常数、磁导率和相速；在某些频率范围内寄生右手效应呈主导作用，表现为右手传播特性，具有正的等效介电常数、磁导率和相速，因此也称为复合左右手传输线(Composite Right/Left-Hand Transmission Lines,CRLH TLs)。(二)谐振式结构，一种结构是在周期性加载并联金属线的共面波导(Coplanar Waveguides,CPW)背面蚀刻开口谐振环(Spilt RingResonators,SRR)。SRRs是小尺寸谐振器，产生等效负磁导率。并联金属线产生等效负介电常数。另一种结构是SRR的互补型结构的互补开口谐振环(Complementary Spilt RingResonators,CSRR)，通过在微带线地平面蚀刻SRR结构，在其谐振频率附近的窄带内产生一个传输禁带，该现象由等效负介电常数引起。通过在结构中增加级联的电容缝隙可以产生等效负磁导率，使传输禁带变为传输通带，可以传输后向波，从而实现超材料传输线。
滤波器的带外抑制没有做好，有时候可能会导致系统受到寄生响应和互调失真或谐波而造成多种干扰问题。因此，滤波器对带外噪声的抑制成为通信系统噪声性能好坏的关键。基于传统CSRR结构设计的带通滤波器具有尺寸小，通带低端选择性良好等优点，然而，较差的通带高端带外抑制性和频率响应的高度不对称性严重制约了其在微波毫米波电路系统中的应用。因此，其实际应用价值比较有限。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器，用以解决现有技术中滤波器通带高端带外抑制性差和频率响应高度不对称的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，提出了一种基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器，包括至少一个滤波单元，所述滤波单元包括介质基板、传输线、互补开口谐振环和开环谐振器；其中所述传输线位于所述介质基板的顶层，加载了级联缝隙电容，且中间开有缝隙；所述开环谐振器也位于所述介质基板的顶层，并与所述传输线共面且位于传输线下方；所述互补开口谐振环位于所述介质基板的底层，且由同心的内环和外环构成，所述内环和外环的开口位置相反。
可选地，传输线的宽度为2-3mm，缝隙宽度为0.3-0.4mm。
可选地，互补开口谐振环的外环半径为6.5-7.5mm，环宽为0.6-0.8mm，内外环间距为0.8mm，环开口宽度为0.7-1.0mm。
可选地，互补开口谐振环与所述传输线的间距为0.1mm。
可选地，开环谐振器为方环结构，开口位于所述开环谐振器的下方，且相邻的边长的长度不同。
可选地，开环谐振器的方环的周长依据需要的工作频段而确定，开环谐振器的结构线宽为1mm，方环的长边长度为17-20mm，方环的短边长度为4-6mm。
可选地，传输线的宽度为2mm，缝隙宽度为0.4mm；互补开口谐振环的外环半径为6.5mm，环宽为0.8mm，内外环间距为0.8mm，环开口宽度为0.7mm；开环谐振器的结构线宽为1mm，方环的长边长度为17.58mm，方环的短边长度为4.3mm。
可选地，传输线的宽度为3mm，缝隙宽度为0.3mm；互补开口谐振环的外环半径为7.46mm，环宽为0.6mm，内外环间距为0.8mm，环开口宽度为0.97mm；开环谐振器的结构线宽为1mm，方环的长边长度为19.1mm，方环的短边长度为5.5mm。
进一步地，超材料微波滤波器还包括馈线，其中馈线连接于传输线的两侧并进行馈电。
可选地，馈线为50欧姆。
本发明有益效果如下：
本发明提供的滤波器在传统CSRR的基础上引入开环谐振器(Open LoopResonators，OLR)，在通带高端产生传输零点，改善了带外抑制特性和频率响应的不对称性。本发明提供的滤波器的单元结构中虽然引入了OLR，但其横向尺寸并未增加，有利于滤波器的小型化设计。本发明提供的滤波器整体结构简单，没有金属化过孔等复杂结构，易于加工。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为根据本发明的基于开口谐振环结构的平面超材料微波滤波器的一个实施例的示意图；
图2为根据本发明的基于开口谐振环结构的平面超材料微波滤波器的另一实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的各个实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器包括至少一个滤波单元。下面将参照图1描述仅包括一个滤波单元的超材料微波滤波器的结构。
参见图1，基于开口谐振环结构的平面超材料微波滤波器包括一个滤波单元。该滤波单元具备三层结构，其中顶层为覆铜带线结构、中间层为介质基板5、底层为覆铜缺陷地结构。进一步地，顶层的覆铜带线结构包括传输线2和OLR 3，底层的覆铜缺陷地结构蚀刻有CSRR 4。
由此可见，该滤波单元包括传输线2、OLR 3、CSRR 4和介质基板5。传输线2位于介质基板5的顶层，加载了级联缝隙电容，且中间开有缝隙。OLR 3也位于介质基板5的顶层，与传输线2共面且位于传输线下方。CSRR 4位于介质基板5的底层，且由同心的内环和外环构成，所述内环和外环的开口位置相反。传输线2、OLR 3和CSRR 4通过感性耦合加载于介质基板5上。
可选地，OLR 3为方环结构，开口位于所述开环谐振器的下方，且相邻的边长的长度不同。OLR 3的方环的周长依据需要的工作频段而确定，
这里，传输线2用于为滤波单元传递能量；OLR 3用于在通带高端产生传输零点，提高带外抑制特性；CSRR 4用于实现通带，并在低端产生传输零点。在此滤波单元的基础上形成的滤波器在传统CSRR的基础上引入OLR，利用其谐振特征在通带高端产生一个传输零点，能够有效提高带外抑制特性且改善频率响应的不对称性。此外，虽然在滤波单元中引入了OLR，但是其横向尺寸并未增加，因而有利于滤波器的小型化。
可以理解，由于传输线2、OLR 3和CSRR 4之间的耦合作用，可以形成一个更宽的具有良好传输特性的通带。此外传输线2上加载的缝隙电容结构可以将滤波单元在谐振频率附近的带阻特性转换为带通特性，进而利用这一特性实现带通滤波器。
可选地，连接于端口A和端口B之间的馈线与滤波单元内部的传输线相连接，用于为该滤波器馈电。这里，馈线为50欧姆。
以上参照图1描述的滤波器中仅包含一个滤波单元。具体地，如图1所示的滤波器包括馈线1、传输线2、OLR 3、CSRR 4和介质基板5。
此外，为了不同的滤波效果，可以考虑将滤波单元进行周期性排列，级联成基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器。
在如图2所示的另一具体实施例中，滤波器包括两个或更多个级联的滤波单元，即该两个或更多个滤波单元直接连接。其中每个滤波单元的具体结构如图1所示的滤波单元所示。此外，滤波器还可以包括馈线1，滤波器的传输线分别经由馈线1与端口A、端口B连接。
在图1或图2所示的滤波器的示意性实施例中，传输线2的宽度w2可以为2-3mm，缝隙宽度g1为0.3-0.4mm。CSRR 4的外环半径r为6.5-7.5mm，环宽c为0.6-0.8mm，内外环间距d为0.8mm，环开口宽度g2为0.7-1.0mm。OLR 3与传输线2的间距s为0.1mm。OLR 3的线宽w3为1mm，方环的长边长度l2为17-20mm，方环的短边长度l3为4-6mm。
通过以下步骤详细描述根据本发明的级联滤波器。
步骤一、初步确定滤波单元的结构尺寸
根据需要的工作频段，先确定滤波单元的谐振频率，再根据其谐振频率确定CSRR结构的尺寸，例如将传输线2的宽度w2设为2mm、缝隙宽度g1设为0.5mm，建立滤波单元的结构模型；然后对传输线2的宽度w2、缝隙宽度g1以及CSRR 4的外环半径r、环宽c、内外环间距d、环开口宽度g2进行优化，初步确定这些参数的值。例如，优化后的传输线2的宽度w2为2mm，缝隙宽度g1为0.4mm，CSRR 4的外环半径r为6.5mm，环宽c为0.8mm，内外环间距d为0.8mm，环开口宽度g2为0.7mm。
步骤二、加载OLR结构
首先将OLR 3的结构线宽w3初步定为1mm，根据需要的工作频段，确定方环的周长约为波导波长的一半。出于小型化考虑，例如将方环尺寸初步定为长边长度l2为17mm，短边长度l3为5mm。将OLR 3加载于滤波单元中，OLR 3与传输线2的间距s为0.1mm，由于结构间的耦合作用，对OLR 3结构进行优化，确定新的单元尺寸的值，优化后的OLR 3的线宽w3为1mm,方环长边长度l2为17.58mm，方环短边长度l3为4.3mm。
三、级联单元实现滤波器
设计滤波器结构。滤波器为平面周期性结构，由级联单元的方式实现。由于级间干扰的影响比较明显，对单元结构重新进行优化，确定级联后的单元尺寸，优化后的传输线的宽度w2为3mm，缝隙宽度g1为0.3mm，CSRR 4的外环半径r为7.46mm，环宽c为0.6mm，内外环间距d为0.8mm，环开口宽度g2为0.97mm。OLR 3的线宽w3为1mm,方环长边长度l2为19.1mm，方环短边长度l3为5.5mm。
根据本发明的实施例的平面超材料微波滤波器设计成工作在0.89GHz-1.217GHz频段，整个工作频段内插入损耗优于-1.13dB，回波损耗小于-10dB。在通带两侧各产生两个传输零点，在0.7GHz出衰减为-50dB，在1.5GHz出衰减为-28dB。优化后的滤波器的整体尺寸为：长度40mm、宽度14.9mm、高度30mm。
由此，本发明主要是优化CSRR和OLR的谐振频率，即调整滤波单元中r、c、d、g2、l2、l3等结构参数，从而得到理想的结果。即根据给定的滤波器中心频率和工作带宽的技术指标，可以通过调整滤波器的结构参数，改变其中CSRR和OLR的谐振频率，使其工作在所需的频段。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于开口谐振环结构的超材料滤波器，改善了带外抑制特性和频率响应的不对称性。通过改变单元结构尺寸，可以灵活调整传输线单元的工作频带和工作带宽。然后通过周期性级联的方式实现高性能、小型化的平面超材料微波滤波器。本发明所提出的平面结构通过普通印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)技术便能够进行加工，完全适合大批量生产。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于开口谐振环结构的超材料微波滤波器，包括至少一个滤波单元，所述滤波单元包括介质基板、传输线、互补开口谐振环和开环谐振器；其中所述传输线位于所述介质基板的顶层，加载了级联缝隙电容，且中间开有缝隙；所述开环谐振器也位于所述介质基板的顶层，并与所述传输线共面且位于传输线下方；所述互补开口谐振环位于所述介质基板的底层，且由同心的内环和外环构成，所述内环和外环的开口位置相反。
2.根据权利要求1所述的超材料微波滤波器，其中所述传输线的宽度为2-3mm，缝隙宽度为0.3-0.4mm。
3.根据权利要求1所述的超材料微波滤波器，其中所述互补开口谐振环的外环半径为6.5-7.5mm，环宽为0.6-0.8mm，内外环间距为0.8mm，环开口宽度为0.7-1.0mm。
4.根据权利要求1所述的超材料微波滤波器，其中所述互补开口谐振环与所述传输线的间距为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的超材料微波滤波器，其中所述开环谐振器为方环结构，开口位于所述开环谐振器的下方，且相邻的边长的长度不同。
6.根据权利要求5所述的超材料微波滤波器，其中所述开环谐振器的方环的周长依据需要的工作频段而确定，所述开环谐振器的结构线宽为1mm，方环的长边长度为17-20mm，方环的短边长度为4-6mm。
7.根据权利要求1所述的超材料微波滤波器，其中所述传输线的宽度为2mm，缝隙宽度为0.4mm；所述互补开口谐振环的外环半径为6.5mm，环宽为0.8mm，内外环间距为0.8mm，环开口宽度为0.7mm；所述开环谐振器的结构线宽为1mm，方环的长边长度为17.58mm，方环的短边长度为4.3mm。
8.根据权利要求1所述的超材料微波滤波器，其中所述传输线的宽度为3mm，缝隙宽度为0.3mm；所述互补开口谐振环的外环半径为7.46mm，环宽为0.6mm，内外环间距为0.8mm，环开口宽度为0.97mm；所述开环谐振器的结构线宽为1mm，方环的长边长度为19.1mm，方环的短边长度为5.5mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的超材料微波滤波器，还包括馈线，其中所述馈线连接于所述传输线的两侧并进行馈电。
10.根据权利要求9所述的超材料微波滤波器，其中所述馈线为50欧姆。
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