CN107732383B - 一种双频带微波带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频带微波带通滤波器，包括介质板，介质板的表面上设有金属微带，金属微带包括微带波导传输线，微带波导传输线经中间过渡段传输线与人工表面等离激元段连接；人工表面等离激元段由H型凹槽周期排列构成，金属传输线关于介质基片两侧对称；中间过渡段传输线上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有高度渐变的H形凹槽；人工表面等离激元段上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有H形凹槽。可以实现电磁波在微带波导段与人工表面等离激元段中传播的平稳过渡，减少微波电场反射，避免输出端磁场出现严重衰减，有效降低电磁场的传输损耗，并且具有亚波长电磁场束缚能力，能有效提升滤波器的抗电磁干扰能力。

Description

一种双频带微波带通滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，涉及一种双频带微波带通滤波器。
背景技术
大数据通讯时代，无线通讯领域要求能制造出集成度更高的微波器件，然而高度集成的微波电路必然会导致其线线物理间距不断缩小，这会造成其电路中线线之间的信号出现串扰，从而使得整个微波器件产生信号畸变，因此现有的微波器件已不能适应当今大规模微波集成电路的发展。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种双频带微波带通滤波器，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种双频带微波带通滤波器，包括介质板，介质板的表面上设有金属微带，金属微带包括微带波导传输线，微带波导传输线经中间过渡段传输线与人工表面等离激元段连接；所述微波波导传输线背面设有金属地，金属地延伸至整个中间过渡段传输线与人工表面等离激元段；中间过渡段传输线上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有深度渐变的H形渐变凹槽；所述人工表面等离激元段上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有H形凹槽。
进一步的，所述中间过渡段传输线上的H形渐变凹槽的深度为非线性渐变关系，即采用一条指数曲线与H形渐变凹槽相交，穿过H形渐变凹槽槽口两点，则H型凹槽中线到该指数曲线的距离即H形渐变凹槽的高度，该高度变化满足非线性函数，且中间过渡段传输线与微带波导传输线连接端的H形渐变凹槽高度最小，其高度为0。
进一步的，所述指数曲线(8)满足方程式：
Y＝-2*h+2*h*(exp(a*(X-L1)/L2)-1)/(exp(a)-1)，其中a为指数曲线形状系数，其取值范围为0.01～15；h为金属微带宽度，其取值范围为1～6mm；L1为微带波导传输线的长度，其取值范围为0～10mm，L2为中间过渡段传输线的长度，其取值范围为10～35mm；X、Y分别是指数曲线的自变量和应变量。
进一步的，所述人工表面等离激元段的H形凹槽的宽度w1取值为0.5～2.5mm，H形凹槽的高度w2的取值为0.5～6mm，H形凹槽的槽型周期p为2～10mm。
进一步的，所述中间过渡段传输线上H形渐变凹槽高度由0非线性过渡到高度w2，槽口宽度、槽型周期与H形凹槽相同。
进一步的，所述介质板宽度wsub为10～40mm。
进一步的，所述介质板采用介电常数为3.0的介质基片。
本发明的有益效果是：
1.该双频带微波带通滤波器在中间过渡段传输线上的H形渐变凹槽采用深度渐变技术，可以起到微带波导段与人工表面等离激元段之间良好的电磁模式和电磁阻抗的匹配，实现电磁波在微带波导传输线与人工表面等离激元段中传播的平稳过渡，减少因电磁场模式和阻抗不匹配出现强烈的微波电场反射，避免输出端磁场出现严重衰减，有效降低电磁场的传输损耗，同时可以减小金属微带间的间距以实现器件的小型化，能更好地适应当今大规模微波集成电路发展。
2.在人工表面等离激元段和中间过渡段传输线上分别设置H形凹槽与H形渐变凹槽，使得电磁场在传输时被束缚在H凹槽周围，大大降低多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得抗干扰能力得到增强，同时也增强了高密度微波集成电路工作时的稳定性，在介质板底面设置金属地，可以使得金属微带上引发的电磁辐射大幅减小。
3.限定H形凹槽及H形渐变凹槽的几何形状，可以使得该形状下的H形凹槽和H形渐变凹槽对电磁场具有较佳的束缚效果。
4.利用H型凹槽的基本模式和高次模式的多模式工作，形成传输的双频段特性，采用一个滤波器可以工作在多种滤波场合，有效提高了器件的工作效率。
5.限定过渡段的形状满足具体的指数曲线，符合该曲线方程的过渡段，其微波电场的反射最小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的滤波器正反两面结构示意图。
图2是本发明的滤波器单元结构色散曲线。
图3是样品的S参数曲线图。
图4是样品的VSWR参数曲线图。
图5是滤波器样品在5GHz频段时工作的H型凹槽四周法线方向电场分布图。
图6是滤波器样品在8GHz频段时工作的H型凹槽四周法线方向电场分布图。
图中，1.介质板，2.微带波导传输线，3.金属地，4.人工表面等离激元段，5.H形凹槽，6.中间过渡段传输线，7.H形渐变凹槽，8.指数曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种双频带微波带通滤波器，结构如图1所示，图中黑色区域为金属，白色区域代表介质。包括介质板1，介质板1的表面上设有金属微带，金属微带包括微带波导传输线2，微带波导传输线2经中间过渡段传输线6与人工表面等离激元段4连接；微波波导传输线2背面设有金属地3，金属地3延伸至整个中间过渡段传输线6与人工表面等离激元段4；中间过渡段传输线6上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有深度渐变的H形渐变凹槽7；人工表面等离激元段4上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有H形凹槽5；中间过渡段传输线6上的H形渐变凹槽7的深度为非线性渐变关系，即采用一条指数曲线8与H形渐变凹槽7相交，穿过H形渐变凹槽7槽口两点；则H型凹槽5中线到该指数曲线8的距离即H形渐变凹槽7的高度，该高度变化满足非线性函数，且中间过渡段传输线6与微带波导传输线2连接端的H形渐变凹槽7高度最小，其高度为0。
指数曲线8满足的方程式为：Y＝-2*h+2*h*(exp(a*(X-L1)/L2)-1)/(exp(a)-1)，其中a为指数曲线形状系数，其取值范围为0.01～15；h为金属微带宽度，其取值范围为1～6mm；L1为微带波导传输线2的长度，其取值范围为0～10mm，L2为中间过渡段传输线6的长度，其取值范围为10～35mm；X、Y分别是指数曲线的自变量和应变量。
人工表面等离激元段4的H形凹槽5的宽度w1的取值为0.5～2.5mm，H形凹槽5的高度w2的取值为0.5～6mm，H形凹槽5的槽型周期p为2～10mm。
中间过渡段传输线6上H形渐变凹槽7高度由0非线性过渡到高度w2，槽口宽度、槽型周期与H形凹槽5的一致。
介质板1的背面设有金属地3。介质板1宽度wsub取值范围为10～40mm。
工作原理：准TEM模式的电磁场由左边的微带波导传输线2传输到中间过渡段传输线6，在中间过渡段传输线6中逐渐渐变为SSPPs模式的电磁场，且在中间过渡段传输线6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段4时，完全转化为SSPPs模式的电磁场。当电磁场在微带波导传输线2传播，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段传输线2与金属地3间的介质板1内；在中间过渡段传输线6传播时，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中间过渡段传输线6与金属地3间的介质板1内，SSPPs模式电磁场被束缚在H形渐变凹槽7周围；在人工表面等激元段4进行传播时，该段内为SSPPs模式，该模式电磁场被束缚在H形凹槽5周围。
为了更好地证明本文的有益效果，设计了如下符合本文的双频带微波带通滤波器样品，样品参数如表1所示。
表1微波滤波器样品各部分参数(单位：mm)
结构名称 符号 尺寸
微带波导传输线长度 L<sub>1</sub> 0.5
中间过渡段传输线长度 L<sub>2</sub> 30
人工表面等离激元段长度 L<sub>3</sub> 66.5
指数曲线形状系数 a 0.05
H形凹槽缝隙宽度 g 1.6
H形凹槽5槽口宽度 w1 1.5
H形凹槽5高度 w2 2.5
H形凹槽5槽型周期 p 10
金属微带总宽度 h 8.6
介质板宽度 w<sub>sub</sub> 21
该样品的介质板1采用介电常数为3.0的介质基片，对该样品的H形凹槽单元结构进行计算，发现其前3个工作模式频段分别为，基模(0～6.09GHz)，第一高次模(4.08GHz～6.71GHz)，第二高次模(6.75GHz～8.27GHz)，如图2所示，图2中(a)代表单元结构的正面(b)代表单元结构的反面。对由H型凹槽组成的滤波特性曲线经时域有限差分计算，结果如图3所示，图3中S1，1为滤波器反射系数，S2，1为滤波器传输系数，可以看出该样品为双频段微波滤波器，第一频段中心频率为2.82GHz，该处插入损耗为-0.8dB，其-3dB通带为直流到5.63GHz，样品在整个通带内反射系数小于-11.4dB，纹波抖动低于0.8dB，电压驻波比低于1.7。第二频段中心频率为7.69GHz，其通带为6.67GHz到8.71GHz，样品在整个通带内纹波抖动低于1.7dB，电压驻波比低于2.4，如图4所示。
该样品在5GHz频段和8GHz下工作时观察加载单元周围法线方向电场分布，结果分别为图5和图6所示，可见其电场主要束缚在H形渐变凹槽7与H形凹槽5周围，扩散很小。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双频带微波带通滤波器，其特征在于，包括介质板(1)，介质板(1)的表面上设有金属微带，金属微带包括微带波导传输线(2)，微带波导传输线(2)经中间过渡段传输线(6)与人工表面等离激元段(4)连接；所述微波波导传输线(2)背面设有金属地(3)，金属地(3)延伸至整个中间过渡段传输线(6)与人工表面等离激元段(4)；中间过渡段传输线(6)上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有深度渐变的H形渐变凹槽(7)；所述人工表面等离激元段(4)上沿传输线中轴线镜像对称且均匀分布有H形凹槽(5)；所述中间过渡段传输线(6)上的H形渐变凹槽(7)的深度为非线性渐变关系，即采用一条指数曲线(8)与H形渐变凹槽(7)相交，穿过H形渐变凹槽(7)槽口两点，则H型凹槽(5)中线到该指数曲线(8)的距离即H形渐变凹槽(7)的高度，该高度变化满足非线性函数，且中间过渡段传输线(6)与微带波导传输线(2)连接端的H形渐变凹槽(7)高度最小，其高度为0；所述指数曲线(8)满足方程式：Y＝-2*h+2*h*(exp(a*(X-L1)/L2)-1)/(exp(a)-1)，其中a为指数曲线形状系数，其取值范围为0.01～15；h为金属微带宽度，其取值范围为1～6mm；L1为微带波导传输线(2)的长度，其取值范围为0～10mm，L2为中间过渡段传输线(6)的长度，其取值范围为10～35mm；X、Y分别是指数曲线的自变量和应变量。
2.根据权利要求1所述的一种双频带微波带通滤波器，其特征在于，所述人工表面等离激元段(4)的H形凹槽(5)的宽度w1取值为0.5～2.5mm，H形凹槽(5)的高度w2的取值为0.5～6mm，H形凹槽(5)的槽型周期p为2～10mm。
3.根据权利要求2所述的一种双频带微波带通滤波器，其特征在于，所述中间过渡段传输线(6)上H形渐变凹槽(7)高度由0非线性过渡到高度w2，槽口宽度、槽型周期与H形凹槽(5)相同。
4.根据权利要求1所述的一种双频带微波带通滤波器，其特征在于，所述介质板(1)宽度wsub为10～40mm。
5.根据权利要求1所述的一种双频带微波带通滤波器，其特征在于，所述介质板(1)采用介电常数为3.0的介质基片。
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