CN106785267A - 一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其中，包括由平衡设置的上介质片和下介质片间形成的滤波腔，在上介质片底面微波输入端和微波输出端设有微带波导面，在上介质片底面的中部设有人工表面等离激元面，微带波导面为沿微波传送方向设置的指数型曲线结构的曲面，人工表面等离激元面为在上介质片垂直微波传送方向设置的多个滤波凸槽，滤波凸槽的截面为朝下介质片凸起的椭圆弧；在下介质片上设有谐振微带。本发明的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器具有低传输损耗、带宽可调、避免电磁场强烈反射和抗电磁干扰能力强的特点。

Description

一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器

技术领域

本发明涉及一种人工表面等离激元型微波带通滤波器，更具体地说，尤其涉及一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器。

背景技术

随着大数据时代的来临，信息的需求量呈爆炸式增长，移动通讯领域要求能制造出集成度更高的微波器件，然而随着微波集成电路尺寸的不断缩小，技术上出现了一系列问题，例如当微波传输线线间距小到一定的程度，器件的电磁干扰噪声，RC延迟等达到极限导致微波器件工作不稳定。人工表面等离激元型微波器件相比于普通的微波介质器件，具有特殊的性质，例如它能把微波局域在亚波长尺寸，从而具有更强的抗电磁干扰能力、更高灵敏度和更大的带宽优势，并能突破衍射极限实现器件的小型化(如纳米尺寸)等，因此，基于人工表面等离激元型滤波器件能很好满足下一代微波通信的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，该微波带通滤波器具有低传输损耗、带宽可调、避免电磁场强烈反射和抗电磁干扰能力强的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其中，包括由平衡设置的上介质片和下介质片间形成的滤波腔，在所述上介质片底面微波输入端和微波输出端设有微带波导面，在所述上介质片底面的中部设有人工表面等离激元面，所述微带波导面为沿微波传送方向设置的指数型曲线结构的曲面，所述的人工表面等离激元面为在上介质片垂直微波传送方向设置的多个滤波凸槽，所述滤波凸槽的截面为朝下介质片凸起的椭圆弧；在所述的下介质片上设有谐振微带。

进一步的，在所述的微带波导面与人工表面等离激元面之间设有过渡面连接。

进一步的，所述的过渡面为在上介质片垂直微波传送方向设置的多个过渡凸槽，所述过渡凸槽的截面为朝下介质片凸起的椭圆弧，所述过渡凸槽的槽面高度从微带波导面往人工表面等离激元面逐渐增加。

进一步的，多个所述的滤波凸槽均匀设置，所述的滤波凸槽的槽口宽度为2～8mm，所述的滤波凸槽的高度为1.5～9mm，相邻两个滤波凸槽间的距离为2～8mm。

进一步的，所述的微带波导面的指数曲线方程为：

y＝u1+u*(exp(k*x/(L1+L2))-1)/(exp(k)-1)

其中u1为指数曲线位置系数，其取值为1～10mm，u、k均为指数曲线形状系数，u的取值为0.5～4mm，k的取值为2～30mm，L1为微带波导面沿微波传送方向的长度，L2为过渡面沿微波传送方向的长度,L3为人工表面等离激元面的长度。

进一步的，所述的谐振微带为分别设置在微波输入端和微波输出端的微带波导面与过渡面连接部垂直投影至下介质片处的四分之一波长谐振器。

进一步的，所述的四分之一波长谐振器中部对折，对折的所述四分之一波长谐振器中间留有耦合缝隙，所述的四分之一波长谐振器的长度为2～6mm，所述的四分之一波长谐振器的宽度为0.05～0.3mm，所述的耦合缝隙宽度为0.1～0.5mm。

进一步的，所述上介质片底面垂直微波传送方向的两端为椭圆曲线面，所述椭圆曲线面沿微波传送方向的截面为椭圆弧，所述椭圆弧的曲线方程为：

其中a为椭圆弧的短轴半径，其取值为1～12mm；b1为上边缘椭圆弧中心的纵坐标，其取值为0.1～15mm；w为椭圆弧的位置系数，其取值为5～15mm；L1取值为5～15mm，L2取值为15～35mm，L3取值为60～185mm。

进一步的，多个所述的过渡凸槽均匀设置。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其中，包括由平衡设置的上介质片和下介质片间形成的滤波腔，在上介质片底面微波输入端和微波输出端设有微带波导面，在上介质片底面的中部设有人工表面等离激元面，微带波导面为沿微波传送方向设置的指数型曲线结构的曲面，人工表面等离激元面为在上介质片垂直微波传送方向设置的多个滤波凸槽，滤波凸槽的截面为朝下介质片凸起的椭圆弧；在下介质片上设有谐振微带。在人工表面等离激元面上设置多个滤波凸槽，滤波凸槽的截面为朝下介质片凸起的椭圆弧，使得电磁场在传输时被束缚在椭圆弧的滤波凸槽周围，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得传输线抗干扰能力大大增强，同时也增强了高密度微波集成电路工作时的稳定性。不仅如此，因抗电磁干扰能力大大增强，本发明还能减小微波集成电路的金属微带间的间距以实现器件的小型化，因而能更好地适应当今大规模微波集成电路的发展。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明A处的剖面图；

图3是本发明B处的剖面图；

图4是不同高度滤波凸槽的法线方向电场分布图；

图5是不同长度四分之一波长谐振器的法线方向电场分布图；

图6是本发明具体实施例1的S参数特性曲线图；

图7是本发明具体实施例1的法线方向电场分布图；

图8是本发明具体实施例2的S参数特性曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

参照图1至3所示，本发明的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其中，包括由平衡设置的上介质片1和下介质片2间形成的滤波腔，在所述上介质片1底面微波输入端和微波输出端设有微带波导面3，在所述上介质片1底面的中部设有人工表面等离激元面4，所述微带波导面3为沿微波传送方向设置的指数型曲线结构的曲面，所述的滤波凸槽面3为在上介质片1垂直微波传送方向设置的多个滤波凸槽6，所述滤波凸槽6的截面为朝下介质片2凸起的椭圆弧；在所述的下介质片2上设有谐振微带8。本发明的滤波器通过在人工表面等离激元面4上设置多个滤波凸槽6，滤波凸槽6的截面为朝下介质片2凸起的椭圆弧，使得电磁场在传输时被束缚在椭圆弧的滤波凸槽6周围，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得传输线抗干扰能力大大增强，同时也增强了高密度微波集成电路工作时的稳定性。不仅如此，因抗电磁干扰能力大大增强，本发明的滤波器还能减小微波集成电路的金属微带间的间距以实现器件的小型化，因而能更好地适应当今大规模微波集成电路的发展。

在所述的微带波导面3与人工表面等离激元面4之间设有过渡面5连接。所述的过渡面5为在上介质片1垂直微波传送方向设置的多个过渡凸槽7，所述过渡凸槽7的截面为朝下介质片2凸起的椭圆弧，所述过渡凸槽7的槽面高度从微带波导面3往人工表面等离激元面4逐渐增加。利用过渡面5实现准TEM模式向SSPPs模式的过渡，以减少微波电场反射。多个所述的过渡凸槽7均匀设置，使准TEM模式向SSPPs模式过渡的过渡效果更好。

多个所述的滤波凸槽6均匀设置，所述的滤波凸槽6的槽口宽度为2～8mm，所述的滤波凸槽6的高度为1.5～9mm，相邻两个滤波凸槽6间的距离为2～8mm，通过设置滤波凸槽6可以紧密的束缚电磁场，并产生高频截止频率。

所述的微带波导面3的指数曲线方程为：

y＝u1+u*(exp(k*x/(L1+L2))-1)/(exp(k)-1)

其中u1为指数曲线位置系数，其取值为1～10mm，u、k均为指数曲线形状系数，u的取值为0.5～4mm，k的取值为2～30mm，L1为微带波导面3沿微波传送方向的长度，L2为过渡面5沿微波传送方向的长度,L3为人工表面等离激元面4的长度，将微带波导面3设置为该指数曲线，可以实现滤波器良好的阻抗匹配和模式匹配。

所述的谐振微带8为分别设置在微波输入端和微波输出端的微带波导面3与过渡面5连接部垂直投影至下介质片2处的四分之一波长谐振器。

所述的四分之一波长谐振器中部对折，对折的所述四分之一波长谐振器中间留有耦合缝隙9，所述的四分之一波长谐振器的长度为2～6mm，所述的四分之一波长谐振器的宽度为0.05～0.3mm，所述的耦合缝隙9宽度为0.1～0.5mm，通过设置该四分之一波长谐振器可有效地在滤波器的上阻带产生传输零点，从而调控滤波器的通带范围。

所述上介质片1底面垂直微波传送方向的两端为椭圆曲线面10，所述椭圆曲线面10沿微波传送方向的截面为椭圆弧，所述椭圆弧的曲线方程为：

其中a为椭圆弧的短轴半径，其取值为1～12mm；b1为上边缘椭圆弧中心的纵坐标，其取值为0.1～15mm；w为椭圆弧的位置系数，其取值为5～15mm；L1取值为5～15mm，L2取值为15～35mm，L3取值为60～185mm，通过将介质片1底面垂直微波传送方向的两端设置为椭圆曲线面10，可以使滤波器实现良好的阻抗和模式匹配。

本发明的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器的工作原理为：将准TEM模式的电磁场由输入端的微带波导面3传输到过渡面5，在过渡面5中逐渐渐变为SSPPs模式的电磁场，并且在过渡面5中准TEM模式和SSPPs模式的电磁场共存，当电磁场到达人工表面等离激元面4时，完全转化为SSPPs模式的电磁场，并在人工表面等离激元面4内传输，传输后SSPPs模式电磁场又经过过渡面5转化为准TEM模式的电磁场由输出端的微带波导面3输出。当电磁场从微带波导面3传入时，该段内电磁场的模式为准TEM模式，该模式电磁场被束缚在微带波导面3与椭圆曲线面10之间的上介质片1和下介质片2内；当电磁场进入过渡面5时，该段内准TEM模式与SSPPs模式共存，其中准TEM模式电磁场被束缚在过渡面5与椭圆曲线面10之间的上介质片1和下介质片2内，SSPPs模式电磁场被束缚在椭圆弧的过渡凸槽7周围；当电磁场进入人工表面等离激元面4时，该段内为SSPPs模式，该模式电磁场被束缚在椭圆弧的滤波凸槽6周围。

本发明的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器通过调节椭圆弧的滤波凸槽6的几何尺寸来调控微波滤波器下阻带的截止频率和电磁场分布，同时调整电磁波的束缚效果。申请人在进行大量试验后发现，当w1为3～8mm、w2为5.5～8mm、p为3～8mm时，椭圆弧凹槽对电磁场具有很好的束缚效果。图4是滤波凸槽6高度分别为6.24mm、6.44mm以及6.64mm的滤波器工作时的法线方向电场分布图，根据图4可得，滤波凸槽6高度的变化对下阻带衰减极点的调控作用，随着滤波凸槽6高度的增加，滤波器下的阻带衰减极点的频率不断降低。图5是四分之一波长谐振器长度分别为3.0mm、3.4mm以及4.0mm的滤波器工作时的法线方向电场分布图，根据图5可得，四分之一波长谐振器长度的变化对上阻带衰减极点的调控作用，随四分之一波长谐振器长度的减少，滤波器上阻带衰减极点的频率不断增加。因此通过椭圆槽深和L4的变化，可以控制滤波器的带宽。

实施例1

本实施例的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其中，包括由平衡设置的上介质片1和下介质片2间形成的滤波腔，在所述上介质片1底面微波输入端和微波输出端设有微带波导面3，在所述上介质片1底面的中部设有人工表面等离激元面4，所述微带波导面3为沿微波传送方向设置的指数型曲线结构的曲面，所述的滤波凸槽面3为在上介质片1垂直微波传送方向设置的多个滤波凸槽6，所述滤波凸槽6的截面为朝下介质片2凸起的椭圆弧；在所述的下介质片2上设有谐振微带8。在所述的微带波导面3与人工表面等离激元面4之间设有过渡面5连接。所述的过渡面5为在上介质片1垂直微波传送方向设置的多个过渡凸槽7，所述过渡凸槽7的截面为朝下介质片2凸起的椭圆弧，所述过渡凸槽7的槽面高度从微带波导面3往人工表面等离激元面4逐渐增加。

上介质片1和下介质片2均采用介电常数为2.65的基片，本实施例的微波滤波器各部分的物理尺寸数据如表一所示：

表一微波滤波器各部分物理尺寸(单位：mm)

物理尺寸数据如表一所示的微波滤波器的反射特性曲线经时域有限差分计算如图6所示，图中S11为滤波器反射系数，S21为滤波器传输系数，物理尺寸数据如表一所示的微波滤波器为带通滤波，其中心频率为10.7912GHz，该处插入损耗为1.19dB，其-3dB通带为8.8704GHz到12.712GHz，微波滤波器在整个通带内反射系数小于-10.0dB，纹波抖动低于0.83dB。物理尺寸数据如表一所示的微波滤波器工作于10GHz时得到的法线方向电场分布图如图7所示。根据图7可得，该滤波器工作于通带时，其电场主要束缚于椭圆弧的滤波凸槽6，扩散很小。

实施例2

本实施例的微波滤波器的结构与实施例1的微波滤波器的结构和功能基本相同，不同处是在本实施例中，所述的微带波导面3与人工表面等离激元面4直接连接，本实施例的微波滤波器其他各部分的物理尺寸数据与表一相同。

本实施例的微波滤波器的反射特性曲线经时域有限差分计算如图8所示，本实施例的微波滤波器传输损耗、纹波抖动都较实施例1的微波滤波器大，而且通带内反射系数大大超过-10dB，。因此，由图6和图8对比可知，在所述的微带波导面3与人工表面等离激元面4之间设置过渡面5连接，并且过渡面5中的过渡凸槽7的槽面高度从微带波导面3往人工表面等离激元面4逐渐增加，能有效改善微波滤波器的传输及反射特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，包括由平衡设置的上介质片(1)和下介质片(2)间形成的滤波腔，在所述上介质片(1)底面微波输入端和微波输出端设有微带波导面(3)，在所述上介质片(1)底面的中部设有人工表面等离激元面(4)，所述微带波导面(3)为沿微波传送方向设置的指数型曲线结构的曲面，所述的人工表面等离激元面(4)为在上介质片(1)垂直微波传送方向设置的多个滤波凸槽(6)，所述滤波凸槽(6)的截面为朝下介质片(2)凸起的椭圆弧；在所述的下介质片(2)上设有谐振微带(8)。

2.根据权利要求1所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，在所述的微带波导面(3)与人工表面等离激元面(4)之间设有过渡面(5)连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，所述的过渡面(5)为在上介质片(1)垂直微波传送方向设置的多个过渡凸槽(7)，所述过渡凸槽(7)的截面为朝下介质片(2)凸起的椭圆弧，所述过渡凸槽(7)的槽面高度从微带波导面(3)往人工表面等离激元面(4)逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，多个所述的滤波凸槽(6)均匀设置，所述的滤波凸槽(6)的槽口宽度为2～8mm，所述的滤波凸槽(6)的高度为1.5～9mm，相邻两个滤波凸槽(6)间的距离为2～8mm。

5.根据权利要求1所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，所述的微带波导面(3)的指数曲线方程为：

y＝u1+u*(exp(k*x/(L1+L2))-1)/(exp(k)-1)

其中u1为指数曲线位置系数，其取值为1～10mm，u、k均为指数曲线形状系数，u的取值为0.5～4mm，k的取值为2～30mm，L1为微带波导面(3)沿微波传送方向的长度，L2为过渡面(5)沿微波传送方向的长度,L3为人工表面等离激元面(4)的长度。

6.根据权利要求1所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，所述的谐振微带(8)为分别设置在微波输入端和微波输出端的微带波导面(3)与过渡面(5)连接部垂直投影至下介质片(2)处的四分之一波长谐振器。

7.根据权利要求6所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，所述的四分之一波长谐振器中部对折，对折的所述四分之一波长谐振器中间留有耦合缝隙(9)，所述的四分之一波长谐振器的长度为2～6mm，所述的四分之一波长谐振器的宽度为0.05～0.3mm，所述的耦合缝隙(9)宽度为0.1～0.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，所述上介质片(1)底面垂直微波传送方向的两端为椭圆曲线面(10)，所述椭圆曲线面(10)沿微波传送方向的截面为椭圆弧，所述椭圆弧的曲线方程为：

$\frac{{(x-l_1-l_2-l_3/2)}^2}{{(l_1+l_2+l_3/2)}^2}+\frac{{(y-w-b1)}^2}{a^2}=1$

其中a为椭圆弧的短轴半径，其取值为1～12mm；b1为上边缘椭圆弧中心的纵坐标，其取值为0.1～15mm；w为椭圆弧的位置系数，其取值为5～15mm；L1取值为5～15mm，L2取值为15～35mm，L3取值为60～185mm。

9.根据权利要求3所述的一种具有椭圆弧凸槽结构的带宽可调微波滤波器，其特征在于，多个所述的过渡凸槽(7)均匀设置。