CN106229591A - 一种小型化太赫兹低通滤波器 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种小型化太赫兹低通滤波器，属于一种滤波器，特别是太赫兹低通滤波器。本发明将开口环(SRR)结构引入到低通滤波器设计中，并对其改进实现SRR结构的串并联最终实现宽的高频抑制阻带，用SRR结构实现的低通滤波器展示了良好的低通滤波特性。由于SRR结构通过调节很少的变量即可控制滤波器的通带，且所使用的线宽一致且可以调控，这样降低了设计和加工的难度。与阶跃型结构和带隙能结构构成的低通滤波器相比，在相同的阻带抑制特性下，开口环低通滤波器有更小尺寸和更宽的阻带。

Description

一种小型化太赫兹低通滤波器

技术领域

本发明属于一种滤波器，特别是太赫兹低通滤波器。

背景技术

近年来，随着对太赫兹频段的开发，以固态太赫兹技术为基础的太赫兹低频段雷达系统、辐射计系统不断出现。在这些系统中能把功率信号由微波频段发展到太赫兹频段的太赫兹倍频器和混频器尤为重要。这些固态太赫兹器件所具有的结构紧凑、重量轻、可靠性高、低成本等优势是其他太赫兹器件所不具备的，所以固态太赫兹器件在太赫兹领域备受关注。在设计固态太赫兹器件时，太赫兹低通滤波器是无法绕开的单元电路。在太赫兹倍频器和混频器电路中太赫兹低通滤波器负责对电路信号的筛选，对提高电路性能有这非常大的作用，也是无源电路的关键部分。而在这些电路中通常要求低通滤波器有尽可能低的插入损耗(可以减小本振信号的损耗)和更宽的阻带(抑制高次谐波)，以及好的矩形系数。特别是在宽频带太赫兹谐波混频器中要求滤波器能将基波的高端和二次谐波的低端严格区分，这对低通的滤波器的矩形系数要求很高。因此设计一种能满足上述需求的太赫兹低通滤波器是非常有必要的。

在固态太赫兹电路中，因为波长很短造成电路的腔体和承载基片的尺寸很小，基本上都在亚毫米量级因此在微带线/悬置微带线电路中微带线的最大线宽有限，使阻抗线设计受到限制，加之最小加工精度的限制，高阻抗线也会受到限制，因此在太赫兹频段采用阶跃型高低阻抗低通滤波器设计作为滤波电路受到诸多限制，且多节阶跃型高低阻抗滤波器存在长度太长、矩形系数不够等缺点。相比阶跃型低通滤波器，带隙能结构构成的低通滤波器能减小滤波器的尺寸，且有较好的阻带抑制特性，但其阻带宽度比较小，无法满足宽带电路中对信号的筛选要求，而且在太赫兹频段微带线/悬置微带线的50欧阻抗线宽度很小，在现有的加工精度下实现带隙能结构比较困难。因此采用新的结构来实现太赫兹频段低通滤波器，提高电路的性能、以及降低加工需求是有必要的。

在微带线/悬置微带线电路中，传输线型谐振器是在微波频段最为常用的一类谐振器，其中均匀阻抗谐振器(UIR)结构简单、设计简便，广泛应用于滤波器设计中。开口环谐振器作为常见的UIR结构常用于微带/悬置微带电路的设计中，用来减小电路尺寸实现电路小型化。与基于布拉格散射原理的电磁带隙结构不同，开口环谐振器(Split ringresonator,SRR)是一类亚波长结构，可用于构成左手材料，该材料具有负群速度、负折射率、理想成像等，被美国Science杂志列为2003年度全球十大进展之一。单个SRR即可在谐振频率附近产生陡峭的阻带,具有结构简单、尺寸容易控制的优点。SRR是一个一边开口的金属环，它的形状可以使圆形或者矩形。在通常所见的电路中SRR常被用来设计带通滤波器和带阻滤波器，在本设计中利用传统的SRR陡峭阻带并增加其阻带宽度，通过串并联的形式实现滤波器在高频段的抑制，从而实现满足太赫兹低通滤波器小型化的需求。

发明内容

现在常用的太赫兹低通滤波器主要有高低阻抗阶跃型和带隙能结构型低通滤波器，在太赫兹电路中，因为波长很短造成电路的腔体和承载基片的尺寸很小，基本上都在亚毫米量级因此在微带线/悬置微带线电路中微带线的最大宽度有限，使低阻抗线设计受到限制，加之最小加工精度的限制，高阻抗线也会受到限制，因此在太赫兹频段采用阶跃型高低阻抗低通滤波器作为滤波电路受到诸多限制，且高节阶跃型高低阻抗滤波器存在长度太长、阻带宽度不够等缺点。相比阶跃型高低阻抗低通滤波器，带隙能结构能减小滤波器的尺寸，能适用于更高的频率，且阻带抑制有所提高，但其有阻带宽度不宽、设计比较复杂等缺点，而且在太赫兹频段微带线/悬置微带线的50欧阻抗线宽度很小，在现有的加工精度下带隙能结构实现起来比较困难。为了解决上述技术问题本设计采用开口环作为设计低通滤波器的基本单元，并其结构经行改进引入不对称性，实现满足要求的低通滤波器，并可以进一步减小滤波器主体结构尺寸。

本发明的技术方案为一种小型化太赫兹低通滤波器，该滤波器包括：空腔、设置于空腔中的介质基板(1)、设置于介质基板上的微带线，所述微带线包括：输入段、中间段、输出段；其中输入段包括：输入馈电微带线(2)、垂直于输入馈电微带线分别向左、右延伸的长度相等的第一左支节(4)、第一右支节(5)，其中第一右支节末端向输出段方向延伸出第一弯折支节(7)；中间段包括：横向微带线(3)、垂直于横向微带线分别向左、右延伸的长度等于第一左支节的第二左支节(10)、第二右支节(11)，其中横向微带线用于连接输入段和输出段，第二左支节末端向输入段方向延伸出第二弯折支节(8)，第二右支节靠近末端尾段位置向输出段方向延伸出第三弯折支节(13)，使第一左支节末端与第二弯折支节末端形成第一开口(6)，第一弯折支节与第二右支节末端形成第二开口(9)；输出段包括：输出馈电微带线(18)、垂直于输出馈电微带线分别向左、右延伸的长度相等且小于第一左支节的第三左支节(17)、第三右支节(16)，第三左支节末端向输入段方向延伸出第四弯折支节(14)，使第二左支节末端与第四弯折支节末端形成第三开口(12)，第三弯折支节末端与第三右支节末端形成第四开口(15)。

本发明将开口环(SRR)结构引入到低通滤波器设计中，并对其改进实现SRR结构的串并联最终实现宽的高频抑制阻带，用SRR结构实现的低通滤波器展示了良好的低通滤波特性。由于SRR结构通过调节很少的变量即可控制滤波器的通带，且所使用的线宽一致且可以调控，这样降低了设计和加工的难度。与阶跃型结构和带隙能结构构成的低通滤波器相比，在相同的阻带抑制特性下，开口环低通滤波器有更小尺寸和更宽的阻带。

附图说明

图1为本发明滤波器整体电路示拓扑结构图；

图2为单开口环拓扑结构图；

图3为单开口环集总参数等效电路；

图4为单开口环馈电结构；

图5为单开口环两并联枝节等效电路；

图6为单开口环3D模型结构；

图7为h固定，不同m值时，单开口环的传输曲线(S21)；

图8为m固定，不同h值时，单开口传输曲线(S21)；

图9为改进后的开口环拓扑结构；

图10为h不变，改进后的开口环传输曲线(S21)；

图11为太赫兹低通滤波器3D模型；

图12为太赫兹低通滤波器的S参数仿真曲线；

图13(a)为在相同低通特性下，阶跃型结构、带隙能结构、开口环结构构成的滤波器结构对比(b)为阶跃型结构、带隙能结构、开口环结构构成的滤波器的传输曲线(S21)对比。

图1中：1.介质基板，2.输入馈电微带线，3.横向微带线，4.第一左支节，5.第一右支节，6.第一开口，7.第一弯折支节，8.第二弯折支节，9.第二开口，10.第二左支节，11.第二右支节，12.第三开口，13.第三弯折支节，14.第四弯折支节，15.第四开口，16.第三右支节，17.第三左支节，18.输出馈电微带线。

具体实施方式

本发明的技术方案是：一种利用开口环的低通滤波器，包括空气腔、设置于空气腔中的介质基板(1)、设置于介质基板上的微(悬置)带线,所述微带线包括：输入段、中间段、输出段；其中输入段包括：输入馈电微带线(2)、垂直于输入馈电微带线分别向左、右延伸的长度相等的第一左支节(4)、第一右支节(5)，其中第一右支节末端向输出段方向延伸出第一弯折支节(7)；中间段包括：横向微带线(3)、垂直于横向微带线分别向左、右延伸的长度等于第一左支节的第二左支节(10)、第二右支节(11)，其中横向微带线用于连接输入段和输出段，第二左支节末端向输入段方向延伸出第二弯折支节(8)，第二右支节靠近末端尾段位置向输出段方向延伸出第三弯折支节(13)，使第一左支节末端与第二弯折支节末端形成第一开口(6)，第一弯折支节与第二右支节末端形成第二开口(9)；输出段包括：输出馈电微带线(18)、垂直于输出馈电微带线分别向左、右延伸的长度相等且小于第一左支节的第三左支节(17)、第三右支节(16)，第三左支节末端向输入段方向延伸出第四弯折支节(14)，使第二左支节末端与第四弯折支节末端形成第三开口(12)，第三弯折支节末端与第三右支节末端形成第四开口(15)；其中滤波器主体采用抽头馈电形式馈电，并有输入馈电微带线(2)和输出馈电微带线(18)与外部相连；其中滤波器主体结构包括4个方形开口环谐振结构，分别是第一左支节(4)、第一开口(6)、第二弯折支节(8)、第二左支节(10)、横向微带线(3)的前半部分构成的方形开口环A，第一右支节(5)、第一弯折支节(7)、第二开口(9)、第二右支节(11)、横向微带线(3)的前半部分构成的方形开口环A1，第二左支节(10)、第三开口(12)、第四弯折支节(14)、第三左支节(17)、横向微带线(3)的后半部分构成的方形开口环B，第二右支节(11)、第三弯折支节(13)、第四开口(15)、第三右支节(16)、横向微带线(3)的后半部分构成的开口环B1；其中方形开口环A、A1和B、B1分别共用一个横向微带线；其中上下相邻的两个开口环尺寸一致，但因开口位置不同而不对称；其中开口环A和开口环B共用第二左支节(10)，开口环A1和开口环B1共用第二右支节(11)，这样可以减小滤波器的尺寸；其中弯折支节和其相连的支节可以等效成一个支节谐振器，例如第一弯折支节(7)和第一右支节(5)可以等效成一个微带支节谐振器，支节的弯折增加了有效谐振长度；其中前后相邻的两个开口环的尺寸不同使开口环的谐振频率也不同，这样可以增加传输零点实现宽阻带特性；其中的每个开口环中，开口位置偏离开口侧的中心位置，开口前后两侧的支节或弯折支节长度不相等，因而每个开口环会提供两个传输零点，且偏移越大两个零点的距离越远(这里采用了最大偏移)；其中前后相邻的开口环属于串联连接；其中两个左右相邻的开口环可以看作一个大开口环，例如开口环A和开口环A1可以等效成一个大的开口环，大开口环的谐振长度控制着滤波器的截止频率；其中横向微带线(3)构成低频信号的通路；其中开口前后两侧的支节或弯折支节通过开口相互关联，每一个开口可等效成一个电容，随着开口大小的增大等效电容变小；其中滤波器主体通过不对称性的引入增加了传输零点，从而增加了阻带宽度。

一、滤波器分析

(1)单个开口环谐振器的研究

单个开口环谐振器的结构如图2所示。谐振器有宽度相同的微带线组成，从整体上看开口环属于半波长谐振器，其总长度约等于谐振频率波导波长的一半。该谐振器采用侧面中心点馈电，当开口位置不在中心时会引起不对称性，而且在馈电处存在不连续性，因此分析的时候不能将开口环看成一个整体来分析，需要定性的给出每段所代表的集总参数元件。由于在太赫兹频段电路的尺寸和波长在同一个量级上，且微带线的屏蔽腔很小，屏蔽腔对微带线的传输特性的影响无法忽略，因此想要准确的给出开口环在太赫兹频段的集总参数分析是不切实际的，因此这里只定性的分析开口环的特性。

通过对微带线的等效分析给出开口环的等效集总参数电路，通过该电路来分析开口环的输出特性。有图3可知电容C1代表开口h带来的电容，L2、C2是右半部分长度l1、l2的等效元件；L3、C3是左半部分l3、l4的等效元件；C4、L4是下半部分的等效元件，且L4应当有电阻。从电路来看该电路具有二阶带阻特性，C2、L2和C3、L3分别构成一个谐振器控制着电路的一个传输零点。当m≠0时，会使电容C1两边的谐振电路谐振频率不同而使电路存在两个传输零点，当不对称性存在时，C4、L4会提供一个传输点，该传输点在两个传输零点之间。当m等于0时，电路中的两个谐振电路的谐振频率相等，因此电路只有一个传输零点，是一个带阻特性的电路。通过分析也可以把图2中的l1+l2和l3+l4分别看成一个λ_g/8微带谐振器两个谐振器并联在电路上，并通过C1有所关联，形成电路中的两个传输零点。两个传输零点之间的传输点则有C1和下面的谐振电路共同控制。

本设计为低通滤波器因此开口环的馈电方式只能采取抽头馈电，用一根特性阻抗为50的微带线直接连在谐振器上，通过调馈入点位置，来调节外部Q值。为了得到最大的Q值采用中心点作为馈入位置，如图4所示。通过上面的分析知，加入馈电微带线以后，单开口环谐振器可以等效为两个并联枝节其等效电路如图5所示。图5中电容C1’为两个并联枝节的耦合电容，l5≈l1+l2,l6≈l3+l4，l7为开口环的一半。枝节l5和l6分别对应图3中的两个谐振电路，控制着电路的零点。

为了验证上述分析在仿真软件HFSS中建立三维仿真模型。模型用50μm厚的石英基片作为衬底宽度为0.24mm，空气腔的高度为0.2mm，仿真模型如图6所示。设置仿真频率为1～500GHz。值的变化有图7所示。

有图7可以看出，m＝0时，传输曲线只有一个传输零点，当开口偏离中心位置，即m不等于0时，传输曲线出现两个传输零点，分别在一个传输点两侧，且随着m的变化传输点不变。当取m＝0.02mm，改变开口宽度h的大小可得到仿真图如图8所示。由图8可知随着h的增大电容C1的值会减小而使传输零点的位置向上偏移。同样因耦合的减弱使两个零点的矩形系数都变差了。仿真结果证明了分析的正确性。

(2)滤波器设计

该发明设计太赫兹低通滤波器的思路是串并联多个带阻单元来实现很宽的高频阻带从而成为低通滤波器，即增加传输零点的个数以及宽度。考虑在单开口环中间横向增加一个的枝节、上下两端都做开口构成对称形式如图9所示。在图9中存在三个开口环，原开口单元环和两个有横向支节引出的两个并联的小开口环，其中两个小开口环的传输零点一致。分析可知该结构有两个传输零点，大开口环结构控制低频传输零点位置，高频传输零点位置由两个小开口环控制。由于两个并联谐振器的传输零点是一样的可以起到增加零点带宽的作用，所以传输曲线的高频矩形系数要更好。当l8增加时两个传输零点都会下移。

通过仿真可以得到双开口环的传输特性曲线如图10所示。改变l8的值可看到输出曲线变化趋势。有图可以看出每个传输曲线存在两个传输零点，高频端的变化速度要比低频段快，矩形系数比较好，且随着l1增大阻带区域下移，与上述分析一致。

有上述可知在单个开口环中间增加横向支节，可以实现两个传输零点，增大阻带带宽，利用这种改进后的结构来构成低通滤波器。本文采用改进后的结构串联来组成低通滤波器，在HFSS建立三维模型如图11所示。

图11中使用了两个改进后的开口环结构，两个开口环结构的分别控制不同的阻带区域，通过调节横向长度的比值可以调节滤波器的传输特性，滤波器的截止频率有第一个传输零点控制即有比较大的开口环结构控制。相比高低阻抗阶跃型性低通滤波器滤波器单元的长度要减小很多。在HFFS中仿真可得到滤波器的传输曲线如图12所示。

由图12可知传输曲线该滤波器在高频频段有将近250GHz的阻带宽度，结构可以实现低通滤波器的设计。

在同样的空气腔横截面尺寸和石英基片宽度下，分别用阶跃型结构、带隙能结构和开口环结构实现相同低通滤波特性，其结构和仿真结果对比如图13所示。相比阶跃型高低阻抗低通滤波器，开口环结构和带隙能结构具有明显的结构优势，能大大减小滤波器的主体尺寸。开口环结构和带隙能结构的尺寸只有阶跃型高低阻抗结构尺寸的三分之一左右。相比传统带隙能结构，开口环结构的尺寸优势不明显，但是传统带隙能结构的滤波器特性不是很好，因此对带隙能结构进行了改进，改进后其阻带宽度有所增加，但主体长度变长。经对比发现开口环结构能进一步减小滤波器主体结构的尺寸，达到了小型化的目的。同时由图13(b)可以看出开口环结构构成的低通滤波器因具有多个传输零点有比较宽的高频阻带。

1、相比现用的滤波器结构，该结构设计简单、加工方便。因为滤波器的主题全部采用相同宽度的微带线/悬置微带线设计，且只需调节很少的变量(开口环的长度)，就可以调节滤波器截止频率。

2、该设计滤波器尺寸更小,阻带更宽。

Claims (1)

1.一种小型化太赫兹低通滤波器，该滤波器包括：空腔、设置于空腔中的介质基板(1)、设置于介质基板上的微带线，所述微带线包括：输入段、中间段、输出段；其中输入段包括：输入馈电微带线(2)、垂直于输入馈电微带线分别向左、右延伸的长度相等的第一左支节(4)、第一右支节(5)，其中第一右支节末端向输出段方向延伸出第一弯折支节(7)；中间段包括：横向微带线(3)、垂直于横向微带线分别向左、右延伸的长度等于第一左支节的第二左支节(10)、第二右支节(11)，其中横向微带线用于连接输入段和输出段，第二左支节末端向输入段方向延伸出第二弯折支节(8)，第二右支节靠近末端尾段位置向输出段方向延伸出第三弯折支节(13)，使第一左支节末端与第二弯折支节末端形成第一开口(6)，第一弯折支节与第二右支节末端形成第二开口(9)；输出段包括：输出馈电微带线(18)、垂直于输出馈电微带线分别向左、右延伸的长度相等且小于第一左支节的第三左支节(17)、第三右支节(16)，第三左支节末端向输入段方向延伸出第四弯折支节(14)，使第二左支节末端与第四弯折支节末端形成第三开口(12)，第三弯折支节末端与第三右支节末端形成第四开口(15)。