CN106887657B - 一种基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器 - Google Patents

一种基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器,属于微波技术领域。包括依次排列的第一结构化金属层、第一介质层、空气层、第二介质层以及第二结构化金属层；所述第一、第二结构化金属层均为十字形槽孔谐振单元结构周期排列而成的金属表面；所述第一、第二介质层采用的材料为聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板(F4B)；所述空气层介于第一、第二介质层之间，其厚度决定滤波器的谐振特性。本发明结构简单，加工方便，具有可调谐和无偏振依赖性的优点，有望在微波技术领域发挥着重要的作用。

Description

一种基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体的说，是一种微波段的机械可调谐超材料窄带带通滤波器。
背景技术
超材料是可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的一种新型电磁材料，它具备一些自然界常规材料所不具有的奇异性质，例如负折射率、逆多普勒效应等。近些年，超材料引起研究者们广泛的关注，它能够实现自然界常规材料所不能实现的特性，而且还能改善现有仪器设备的性能，在微波段、太赫兹波段甚至光波段都有着广泛的应用。
基于超材料的设计理念，带通滤波器(BPF)能够对电磁波表现出很好的选择性，可以让通带内的电磁波完全透过，而让通带以外(即阻带)的电磁波完全被反射。现有BPF的设计，大多数BPF一旦被设计好之后，模型结构参数被固定，导致其在实际应用中功能就相应的被固化，不能很好的适应不同频段的要求，不具有一定的灵活性和可重构性。可调谐带通滤波器就能很好的解决这个问题，它具有很好的可调谐性，因而能极大的提高BPF的灵活性，使得其能更好满足不同的实际工作需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种微波段的机械可调谐超材料窄带带通滤波器，这种滤波器具有高选择性、高透过率以及频率可调范围大等优良特性。结构设计简单，模型加工方便，而且成本很低。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器，包括一个以上的沿水平方向和竖直方向两个方向周期排列的滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括依次排列的第一结构化金属层(1)、第一介质层(2)、空气层(3)、第二介质层(4)以及第二结构化金属层(5)；所述第一结构化金属层(1)通过第一介质层(2)的单面镀金属层形成，而所述第二结构化金属层(5)通过第二介质层(4)的单面镀金属层形成；且所述第一结构化金属层(1)和第二结构化金属层(5)的结构完全等同，均为十字形槽孔谐振单元结构周期排列而成的金属表面，所述十字形槽孔谐振单元结构由金属方片挖去十字形金属片而得到。
优选的：所述空气层(3)采用泡沫制成。
优选的：所述空气层(3)的介电常数近似为1。
优选的：所述第一结构化金属层(1)、第二结构化金属层(5)采用铜制成。
优选的：所述第一介质层(2)、第二介质层(4)为聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板。
优选的：所述第一结构化金属层(1)、第一介质层(2)、空气层(3)、第二介质层(4)以及第二结构化金属层(5)彼此中心在一条线上。
优选的：所述金属方片和十字形金属片几何中心重合。
优选的：所述第一结构化金属层(1)、第二结构化金属层(5)的厚度均为0.02-0.03mm，所述第一介质层(2)、第二介质层(4)的厚度均为0.7-0.9mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器与以往传统的可调谐滤波器相比，具有选择性高、可调性强以及可调范围大的优点。只需调节两个F4B介质板之间的距离(泡沫的厚度)即可实现谐振频点的“蓝移”或“红移”，即改变谐振频点的位置。
2、本发明基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器具有可重构的特性，能够灵活的满足实际应用的需求，节约成本。
3、本发明基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器制作简单，只需在一块PCB板一面刻蚀所述第一结构化金属层，周期性的刻蚀所述十字形槽孔谐振单元结构，并将其对面的金属层刻蚀掉。同样的，再取另外一块PCB板进行上述操作，然后把两块PCB板中心对齐贴在相应厚度的泡沫两面即可。
4、本发明基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器模型加工方便，而且成本很低，便于实际应用。
附图说明
图1是本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器的单元结构正视图；
图2是本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器的单元结构透视图；
图3是本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器的第一、第二结构化金属层的示意图及单元结构；
图4是本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器在电磁波垂直入射(即k方向)时TE、TM两种极化方式下仿真与实验所得透射谱(S21-f)；
图5是本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器谐振频点f0随泡沫厚度h的仿真和实验的变化情况对比。
具体实施方式：
下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的解释。
如图1、图2所示，为本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器的一个单元结构正视图和透视图。一个滤波器单元结构包括所述第一、第二结构化金属层单元结构、两层所述介质层以及一层所述空气层，所述第一结构化金属层1、第一介质层2、空气层3、第二介质层4以及第二结构化金属层5依次排列。且所述第一结构化金属层1、第一介质层2、空气层3、第二介质层4以及第二结构化金属层5彼此中心在一条线上。整个滤波器由25×25个分别沿x、y两个方向周期排列的滤波器单元结构组成。所述第一、第二结构化金属层单元结构完全等同，为十字形槽孔谐振单元结构周期排列而成的金属表面，所述十字形槽孔谐振单元结构由金属方片挖去十字形金属片而得到，所述金属方片和十字形金属片几何中心重合。
如图3所示，所述第一、第二结构化金属层完全等同，并开设多个十字形槽孔谐振单元结构(图中灰色部分表示金属，采用的材料为铜，白色部分为十字形槽孔)。所述十字形槽孔呈正方排列，沿x、y两个方向周期展开。
本发明具体实例中，所述第一、第二结构化金属层所选用材料为铜(也可选用其它材料，如金、银等)，所述介质层材料为聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板F4B，所述聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板F4B材料的相对介电常数εr为2.65、损耗角正切tanδ为0.001。所述空气层采用特定的泡沫近似代替，所述泡沫的介电常数和空气相接近，介电常数近似为1。空气层介于第一、第二介质层之间，其厚度决定滤波器的谐振特性。实际制作中采用泡沫(介电常数近似为1)代替空气层，只需改变泡沫的厚度即可实现调谐的目的。
所述第一结构化金属层1、第二结构化金属层5的厚度均为0.02-0.03mm，所述第一介质层2、第二介质层4的厚度均为0.7-0.9mm。
基于以上陈述，在三维电磁仿真软件中建立所述滤波器单元结构模型，设定好特定的仿真条件，在x方向加上电场E,y方向加上磁场H，电磁波垂直入射到滤波器表面(即k垂直于所述第一结构化金属层)。通过仿真得到本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器透射系数S21和电磁波频率f的变化关系曲线。如图4所示，本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器在电磁波垂直入射(k方向)时TE、TM两种极化方式下仿真(Sim.)与实验(Exp.)所得S21-f曲线。由于本发明滤波器单元结构具有旋转对称性，所以TE、TM两种极化方式下的S21-f谱线是一致的。随着泡沫厚度h的增大，谐振频点向低频方向移动，即产生了“红移”。
为了验证以上所述仿真结果，实际加工制作了两块尺寸均为250×250mm2的PCB板。首先在一块PCB板的一面刻蚀所述第一结构化金属层，周期刻蚀所述十字形槽孔谐振单元结构，然后将对面的金属完全刻蚀掉。另外一块PCB板进行同样的处理，即一面刻蚀所述第一结构化金属层，另一面则被完全刻蚀掉。然后采用泡沫切割机切割出四块不同厚度、与PCB板长宽尺寸一样的泡沫材料。再将两块PCB板没有金属层的一面对着泡沫，中心对齐紧紧的贴在泡沫的两个对立面。所述第一、第二结构化金属层均可采用光刻、电镀等技术加工而成。在实验测试中，利用矢量网络分析仪测量本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器的透射系数，将测试样品放在两个分别与矢量网络分析仪相连接的喇叭正中间位置。为了确保实验测试中喇叭发射出的电磁波可以近似的等效为平面波，与仿真所采用的平面波吻合。由矢量网络分析仪测试出的对应于不同泡沫厚度的透射谱线S21-f如图4所示。如图5所示，谐振频点f0随着h的变化仿真和实验上均基本满足线性关系。图4和图5表明实验和仿真吻合的较好，对应不同泡沫厚度的仿真和实验谐振频点的位置偏移很小，而且透过率高、选择性好，具有较高的可调谐性。本发明机械可调谐超材料窄带带通滤波器都有着较好的性能表现，设计简单，加工方便，具有可调谐和无偏振依赖性的优点，有望在微波技术领域发挥着重要的作用。
以上所述是本发明的优选实施方式，但不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明设计思想的前提下，所做出的若干修改和润饰，比如改变所述第一、第二结构化金属层的材料、改变介质层的厚度等，均视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器,其特征在于：包括一个以上的沿水平方向和竖直方向两个方向周期排列的滤波器单元结构，所述滤波器单元结构包括依次排列的第一结构化金属层(1)、第一介质层(2)、空气层(3)、第二介质层(4)以及第二结构化金属层(5)；空气层(3)厚度决定滤波器的谐振特性；所述空气层(3)采用泡沫制成，通过改变泡沫的厚度实现调谐的目的；所述第一结构化金属层(1)通过第一介质层(2)的单面镀金属层形成，而所述第二结构化金属层(5)通过第二介质层(4)的单面镀金属层形成；且所述第一结构化金属层(1)和第二结构化金属层(5)的结构完全等同，均为十字形槽孔谐振单元结构周期排列而成的金属表面，所述十字形槽孔谐振单元结构由金属方片挖去十字形金属片而得到；所述第一结构化金属层(1)、第二结构化金属层(5)的厚度均为0.02-0.03mm，所述第一介质层(2)、第二介质层(4)的厚度均为0.7-0.9mm。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述空气层(3)的介电常数近似为1。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一结构化金属层(1)、第二结构化金属层(5)采用铜制成。
4.根据权利要求1所述的基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一介质层(2)、第二介质层(4)为聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板。
5.根据权利要求1所述的基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一结构化金属层(1)、第一介质层(2)、空气层(3)、第二介质层(4)以及第二结构化金属层(5)彼此中心在一条线上。
6.根据权利要求1所述的基于超材料的微波段的机械可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述金属方片和十字形金属片几何中心重合。
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