CN108428981A - 屏蔽g线太赫兹表面波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种屏蔽G线太赫兹表面波滤波器，旨在品质因数高、损耗低，可选频和抗电磁干扰能力强的太赫兹滤波器本发明通过下述方案予以实现：在悬置固定在金属屏蔽腔(1)盒体长度方向被空气层(3)分隔的介质基片(2)上设对称中心线的两条互为平行的接地平面波导金属带G线(4)，接地平面波导金属带G线(4)的内侧长度方向制有相向对称，朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片(5)，从而构成了利用金属脊滤波片(5)调整通带频率，对一端输入，从另一端输出太赫兹射频信号进行滤波、选频的屏蔽G线太赫兹表面波滤波器。

Description

屏蔽G线太赫兹表面波滤波器

技术领域

本发明是关于一种基于屏蔽平面G线的太赫兹表面波滤波器结构。

背景技术

滤波器是微波通信系统中的关键无源器件，应用十分广泛，其体积和性能直接影响整个通信系统的体积和性能。小型化和高性能的无源器件可减小系统体积，提高系统的性能，可在提高滤波器的通带边缘选择性的同时减小电路尺寸。滤波器在系统中常用于分离频率，将不需要的信号尽可能多地过滤掉，而让有用信号以尽可能小的衰减通过。滤波器可以减少工作频段外信号的干扰，是无线通信系统中的关键器件。在许多微波器件如倍频器、混频器中，滤波器是提高各种微波器件性能必不可少的选频元件。太赫兹波介于微波和可见光之间，是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域，也是电子学向光子学的过渡区域。表面波波导这类传输线既可用在波长较长时(如米波),也可用在相当短的波长(如毫米波),甚至可能用到太赫波波段。在实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制等，需滤除不需要的频率范围和噪声，提高系统的性能，因而滤波器在实际中有重要的应用，在太赫兹频域内同样如此。由于太赫兹频率区间的不同频段，电磁波的传输有不同的特性，适用于特定频段的太赫兹频段的波导滤波器存在很大困难。

滤波器是一个二端口网络，它通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性，用以选择系统中某处的频率响应。实现原理是将一个或多个谐振单元通过耦合的形式连接起来，实现一定的频率响应。其频率响应直接由谐振单元的特性、单元之间耦合的强弱以及整体结构拓扑决定。传统的电子滤波技术存在工作频率不高、边模抑制能力弱、抗电磁干扰能力差等不足，由于这些电子瓶颈的存在限制了其在太赫兹领域的应用。目前太赫兹滤波器结构主要基于二维光子晶体、超颖材料、表面等离子体等结构。太赫兹频段传统的平面电路滤波器由于其介质损耗过高而无法使用。纯金属波导电路又由于其结构细微，传统金属加工工艺无法实现；其它光子晶体结构滤波器又欠缺通用性，在现有技术中，滤波器通常采用微带线、带状线、波导腔体等结构来实现。微带线、带状线具有加工简单、体积小的优点，但是功率容量小、Q较大。波导腔体结构具有功率容量大、插损小和易散热等优点，但具有其体积大，重量大等难以克服的缺点，而难以满足现代通信系统结构紧凑、质量轻的要求。由于滤波器等系统中极为关键的无源器件通常占用较大的空间，因此研制高性能小型化的无源器件对于高效封装具有极其重要的意义。为了提高无源器件性能、减小无源器件的体积，近年来人们提出了阶梯阻抗谐振器(SIR)、缺陷地(DGS)、基片集成波导、多模谐振器、多层结构、左手材料等新型结构与材料。平面波的入射会引起滤波器金属平面中的电子振荡：如果大部分的能量被电子所吸收，它们将产生辐射场并消减初始场，从而导致通过滤波器的传输降低。传统波导型滤波器难以满足太赫兹频段的实际需求。由于THz器件结构尺寸微小,在制作时极易引起表面不平整和结构不连续,导致器件性能恶化。当太赫兹波人射电场与滤波器开口环狭缝存在夹角0时，太赫兹电场在水平和垂直狭缝2个方向产生分量，这将直接影响器件滤波性能。太赫兹波滤波器也是太赫兹通信领域至关重要的器件，除了太赫兹信号源，还必须解决太赫兹信号的传输问题，这也包括太赫兹射频信号平面功分传输的问题。在太赫兹科学的发展过程中，太赫兹传输线是太赫兹频段开发和应用的基础。它可以有效地对太赫兹信号进行传输，降低信号的传输损耗。

在微波毫米波频段电路乃至毫米波系统中，传统传输线的损耗和色散将是限制器件性能的一个重要的因素。虽然在毫米波电路中，槽线和波导的损耗都相对较小，但其体积庞大且笨重，不利于系统集成，因此也不能作为毫米波和太赫兹器件推广的传输线结构。表面波波导这类传输线既可用在波长较长时(如米波),也可用在相当短的波长(如毫米波),甚至,可能用到太赫波波段。表面波传输线横向尺寸不大,因而有广泛的实用价值。Goubau(G)线是由古鲍Goubau提出来的一种表面波导波结构。它是在柱形金属线导波结构的基础上，通过在金属表面增加一层介质而构成的。通过对Goubau线进行变形，形成平面结构，金属导线位于介质基片材料表面，构成平面Goubau线，简称平面G线。相比于其它传输线结构形式，平面G线能够更有效地将电磁能量聚集在介质区域中进行传输，从而减小电导损耗，改善传输线的传输损耗，而屏蔽平面G线能更好的减小传输线的辐射损耗，增加与外部的波导以及平面电路的互连性。

发明内容

本发明目的是针对当前太赫兹平面电路之间无法实现有效互连的问题，提供一种结构简单、体积小，易于加工，品质因数高、损耗低，可选频和抗电磁干扰能力强基于屏蔽平面G线的太赫兹新型表面波滤波器结构。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种屏蔽G线太赫兹表面波滤波器，包括悬置固定在金属屏蔽腔盒体长度方向被空气层分隔的介质基片，其特征在于：介质基片的长度方向设有对称中心线的两条互为平行的接地平面波导金属带G线，接地平面波导金属带G线的内侧长度方向制有相向对称，朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片，从而构成了利用金属脊滤波片(5)调整通带频率，对一端输入，从另一端输出太赫兹射频信号进行滤波、选频的屏蔽G线太赫兹表面波滤波器。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

结构简单、体积小，易于加工。本发明采用悬置固定在金属屏蔽腔盒体长度方向被空气层分隔的介质基片，相比于同类共面波导、平板波导、介质光纤等太赫兹导波结构滤波器结构更为简单，更易于加工实现，可以采用印制电路板加工工艺制造，具有加工简单，造价低廉的优点。从而解决了现有单一结构形式的太赫兹导波结构制造工艺要求高，实际应用较困难，难于加工等问题。以平面G线作为射频信号输入结构形式，输出经过滤波、选频的太赫兹射频信号，该滤波器由于具有简单的结构，具有易于加工、适合批量生产等优点，可用于较高频率的太赫兹通信系统中。该结构能够实现对太赫兹射频信号的滤波、选频等功能，并实现使多个太赫兹平面电路之间的互连，从而提高太赫兹信号的发射与接收的效率。

品质因数高、损耗低。本发明在介质基片的长度方向设置对称中心线的两条互为平行的接地平面波导金属带G线，在接地平面波导金属带G线的内侧长度方向制出相向对称，朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片形成金属带G线级联滤波单元，具有极好的选择性和宽阻带抑制。相对于当前同类共面波导、平板波导、介质光纤等太赫兹导波结构滤波器相比较，具有更好的滤波特性，其通带边缘选择性大幅提高，且具有更低的带内插损，同时改善了阻带性能，可以很好的解决当前太赫兹平面电路一般采用微带结构或者悬置微带结构的太赫兹信号的平面传输问题。该滤波器滤波器的实测数据与电磁软件的仿真数据很好地吻合。该滤波器具有极好的选择性和宽阻带抑制。与采用传统哑铃状缺陷地的同类滤波器相比较，其通带边缘选择性大幅提高，且具有更低的带内插损，同时改善了阻带性能。

可选频和耦合强度高。本发明在介质基片材料上，采用朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片形成金属带G线级联滤波单元，实现太赫兹信号的滤波传输，Q值数据范围(11～85)提高很多，最大Q值也从85提高到207，能够将太赫兹信号的能量有效地耦合于内部介质层，获得更强的能量聚集特性，降低了太赫兹信号存在于外部空间的辐射损耗，可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率。同时，可通过改变屏蔽金属腔的大小，来传输相应的太赫兹射频信号。调整介质基片的尺寸和材料参数，来优化滤波器的介质损耗；由两侧接地的接地平面波导金属带G线以及调整带通频率的金属脊滤波片来实现对太赫兹射频信号的滤波和选频功能，可以通过调整接地接地平面波导金属带G线和金属脊滤波片的尺寸，来优化滤波器的传输参数。

抗电磁干扰能力强。发明采用悬置固定在金属屏蔽腔(1)盒体长度方向被空气层分隔的介质基片，用基于屏蔽平面G线内侧长度方向制有相向对称，朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片，当电磁波正入射或斜入射到谐振环所在平面时,能够出现六频带的滤波性,并且其透射系数对入射角度的变化并不敏感。间隔排列的金属脊滤波片能够将太赫兹信号的能量有效地耦合于内部介质层，获得更强的能量聚集特性，不仅屏蔽能力和抗电磁干扰能力高，而且降低了太赫兹信号存在于外部空间的辐射损耗，可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效传输，可以使20到3000μm部分波长范围的电磁波通过。可用于微波前端等通信系统中。

本发明特别适用于太赫兹频段平面电路之间的有效互连，对太赫兹射频信号的滤波、选频等功能的滤波电路。

附图说明

图1是本发明屏蔽G线太赫兹表面波滤波器透视图。

图1中：1屏蔽金属腔、2介质基片，3空气层，4接地平面波导金属带G线，5金属脊滤波片。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，基于屏蔽G线太赫兹表面波滤波器，包括金属屏蔽腔1、介质基片2、空气层3、介质基片内的接地平面波导金属带G线4以及调整带通频率的金属脊滤波片5。金属屏蔽腔体1与介质基片2之间为空气层3。在介质基片2的长度方向设置对称中心线的两条互为平行的接地平面波导金属带G线4，接地平面波导金属带G 线4的内侧长度方向制出相向对称，朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片5，从而构成利用金属脊滤波片5调整通带频率，对一端输入，从另一端输出太赫兹射频信号进行滤波、选频的屏蔽G线太赫兹表面波滤波器。

屏蔽G线太赫兹表面波滤波器对太赫兹射频信号的滤波、选频功能由两接地平面波导金属带G线间金属脊滤波片5调整通带频率来实现。金属脊滤波片5金属薄膜间距的结构由需要指定的波长决定。可以通过调整接地接地平面波导金属带G线和金属脊滤波片的尺寸，来优化滤波器的传输参数。太赫兹波从滤波器的一端输入，从另一端输出，通过两侧接地的接地平面波导金属带G线以及调整带通频率的金属脊滤波片来实现对太赫兹射频信号的滤波和选频功能，从而形成太赫兹滤波器。可以与矩形波导相连，也可以与鳍线和微带进行互连，解决工程应用中太赫兹平面电路之间实现互连的难题。

基于屏蔽平面G线的太赫兹新型表面波滤波器结构可以与外部太赫兹平面电路或者天线结构实现高效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率。可通过改变屏蔽金属腔的大小，来传输相应的太赫兹射频信号。调整介质基片的尺寸和材料参数，来优化滤波器的介质损耗；

对太赫兹射频信号所具有的滤波和选频功能由两侧接地的接地平面波导金属带G线4，以及调整带通频率的金属脊滤波片5的长度和宽度来实现，通过调整金属脊滤波片长度和宽度来优化滤波器在工作频段内的S参数。

本发明具体实施可采用以下步骤：

首先根据所需的太赫兹工作频段，选择聚四氟乙烯和石英作为介质基片材料，利用微波电路计算机辅助软件，建立图1的导波结构，在仿真软件中设定工作频段和在工作频段内的S参数仿真目标，通过软件的优化设计程序，从而确定各单元传输线参数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种屏蔽G线太赫兹表面波滤波器，包括悬置固定在金属屏蔽腔(1)盒体长度方向被空气层(3)分隔的介质基片(2)，其特征在于：介质基片(2)的长度方向设有对称中心线的两条互为平行的接地平面波导金属带G线(4)，接地平面波导金属带G线(4)的内侧长度方向制有相向对称，朝向中心线间隔排列的金属脊滤波片(5)，从而构成了利用金属脊滤波片(5)调整通带频率，对一端输入，从另一端输出太赫兹射频信号进行滤波、选频的屏蔽G线太赫兹表面波滤波器。

2.如权利要求1所述的屏蔽G线太赫兹表面波滤波器，其特征在于：对太赫兹射频信号所具有的滤波和选频功能由两侧接地的接地平面波导金属带G线(4)，以及调整带通频率的金属脊滤波片(5)的长度和宽度来实现，通过调整金属脊滤波片长度和宽度来优化滤波器在工作频段内的S参数。