CN111092281A - 一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，该四阶耦合谐振器滤波器包括上层介质板和下层介质板，上层介质板和下层介质板之间互相贴合设置，所述上层介质板分为左右两块，即第一上层介质板和第二上层介质板，每块介质层底面各设有一段微带馈线，下层介质板的顶面设有人工磁导体结构和四阶耦合谐振器滤波器，底面为接地层。所述第一上层介质板为Rogers 5880，下层介质板为Rogers 3003。本发明针对人工磁导体的阻带特性，将其应用到四阶耦合谐振器滤波器当中，实现滤波器的低损耗特性和自封装特性。

Description

一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器
技术领域
本发明涉及一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，可用于毫米波技术领域。
背景技术
近年来，超材料已经成为微波领域的一个研究热点，受到广泛的关注，其中人工磁导体是一种周期结构构成的具有近似磁导体特性的人工电磁材料，具有同相位反射特性，在合适的频段会具有磁导体特性，同时可能具有电磁间隙现象，可以明显提高微波集成电路，微波印刷天线，微波高能加速器，激光腔等的性能。研究电磁波在人工磁导体材料中的传播特性，可发掘其潜在的应用价值，并对完善电磁波理论体系具有深刻的学术意义。
人工磁导体在天线中的应用越来越多，主要是应用的人工磁导体在一定频段内的同相反射特性，针对的是改善天线的增益，回波损耗特性和减小天线的副瓣，主要的应用点在天线方面，但电路方面的应用，人工磁导体还没有涉及到。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，包括上层介质板和下层介质板，上层介质板和下层介质板之间互相贴合设置，所述上层介质板分为左右两块，即第一上层介质板和第二上层介质板，每块介质层底面各设有一段微带馈线，下层介质板的顶面设有人工磁导体结构和四阶耦合谐振器滤波器，底面为接地层。
优选地，所述第一上层介质板为Rogers 5880，下层介质板为Rogers 3003。
优选地，每条微带馈线相互对称分布，每条微带馈线的阻抗均为50欧姆。
优选地，所述四阶耦合谐振器滤波器为对称的相互耦合结构，四阶耦合谐振器滤波器的电长度为滤波器中心频率的波长的一半，该滤波器的中心频率为31.5GHz，工作带宽为29GHz-32GHz。
优选地，所述人工磁导体结构为3排周期性的人工磁导体结构，人工磁导体为Rogers5880的介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508毫米。
优选地，所述人工磁导体结构设置于四阶耦合谐振器滤波器的周围。
优选地，所述人工磁导体结构包括N个单元结构，每个单元结构均包括介质层、金属板，介质层的上表面采用圆形的金属贴片，介质层的下表面采用一层金属板，介质层的中心进行打金属通孔处理，连接圆形金属贴片和接地金属板。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明针对人工磁导体的阻带特性，将其应用到四阶耦合谐振器滤波器当中，实现滤波器的低损耗特性和自封装特性。
本发明结构简单，易于工业加工，首先设计一个微带的四阶谐振器滤波器，然后引入人工磁导体结构，进一步减小四阶谐振器滤波器的插入损耗，而目在谐振器上方加入地板，使电磁波在四阶谐振器滤波器的正上方传播，传播的介质是空气，所以插入损耗非常小，为人工磁导体在微带滤波器中的插入损耗的改善打下了基础。
附图说明
图1为本发明中人工磁导体的结构示意图。
图2是本发明中滤波器的上面的地板示意图。
图3是本发明中基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器俯视示意图。
图4是本发明中基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器示意图。
图5是本发明中基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器3D示意图。
图6是本发明中加载人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器S参数仿真波形图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，如图1、图2、图3、图4和图5所示，该四阶耦合谐振器滤波器，包括上层介质板6和下层介质板10，上层介质板6和下层介质板10之间互相贴合设置，
所述上层介质板分为左右两块，即第一上层介质板和第二上层介质板，每块介质层底面备设有一段微带馈线7，下层介质板10的顶面设有人工磁导体结构和四阶耦合谐振器滤波器9，底面为接地层13。
所述第一上层介质板10为Rogers 5880，下层介质板10为Rogers 3003。每条微带馈线相互对称分布，每条微带馈线的阻抗均为50欧姆。所述四阶耦合谐振器滤波器9为对称的相互耦合结构，四阶耦合谐振器滤波器的电长度为滤波器中心频率的波长的一半，该滤波器的中心频率为31.5GHz，工作带宽为29GHz-32GHz。
所述人工磁导体结构为3排周期性的人工磁导体结构，人工磁导体为Rogers 5880的介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508毫米。所述人工磁导体结构8设置于四阶耦合谐振器滤波器9的周围。
所述人工磁导体结构包括N个单元结构，每个单元结构均包括介质层3、金属板2，介质层的上表面采用圆形的金属贴片1，介质层的下表面采用一层金属板2，介质层的中心进行打金属通孔4处理，连接圆形金属贴片1和接地金属板2。
由理论分析可知，可以在人工磁导体结构和理想电导体(PEC)分界处形成虚拟的磁壁，进而抑制电磁波在人工磁导体上层的传播，降低了电接触，减小了插入损耗。四段的耦合谐振器的电长度都是半波长的，该滤波器的中心频率工作在31.5GHz，而目四节的耦合器的上层是空气，但滤波器的馈电的位置需要电接触，因此需要进行过渡，所以使用了从微带到加载人工磁导体微带结构的转换。过渡带的基本思想是在微带线和加载人工磁导体微带结构中都匹配50欧姆的阻抗，需要在微带线的上层设置过渡带，中间是空气，用来组成滤波器的低损耗介质层，在过渡带层的上方是一层金属贴片，用来作为谐振器滤波器的地。
当微带线设计在在εr＝2.2的Rogers5880介质材料上时，其宽度将比在气隙中传播的微带线窄。过渡微带线所在的介质厚度为0.508mm，选择的平行板间隙为0.542mm，由于铜皮层实际厚度的存在，导致空气间隙大于介质基板的厚度。需要研究的一个重要因素是还要证明需要用几行蘑菇状的人工磁导体结构来抑制和衰减来自微带的信号。经过仿真发现，观察到微带线每一侧的三行人工磁导体单元结构足以有效地抑制任何泄漏，同时使用三、四行人工磁导体结构之间没有很大的差别，所以为了节省空间，在本技术方案中优选三行人工磁导体结构。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明实施例中，人工磁导体采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2、厚度为0.508毫米。上层的介质地板两侧采用的Rogers 3003，其介电常数为3、厚度为0.542毫米的盖板，盖板两侧介质处有两条微带馈线的阻抗均为50欧姆，这条微带线分别作为四阶耦合谐振器滤波器的输入端，四阶耦合谐振器滤波器的上下各有三排人工磁导体结构。
实施例1
如图2所示，作为该滤波器的盖板，实际上是一层金属地板，金属贴片的两侧是Rogers 5880的介质板，在介质板的另一面是阻抗为50欧姆的两条微带馈线，两边馈线对称分布，这层盖板作为地板盖在滤波器的上层，使滤波器的介质层为空气，减小插入损耗。
实施例2
如图3所示，人工磁导体排列在微带滤波器的两侧，共有三行进行排列构成，每个单元结构是介质层的上表面采用圆形的金属贴片，介质层的下表面采用一层金属板，中心进行打金属通孔处理，连接圆形金属贴片和接地金属板。四阶耦合谐振器滤波器的电长度均是滤波器中心频率的波长的的一半，该滤波器的中心频率为31.5GHz。如图6是基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器S参数仿真波形图，其中心频率为31.5GHz，工作带宽为29GHz-32GHz，回波损耗小于-16dB，插入损耗低于0.9dB，该滤波器工作性能良好
针对人工磁导体的阻带特性，将其应用到耦合谐振器滤波器当中，实现滤波器的低损耗特性和自封装特性。该人工磁导体组成的间隙波导是在两个平行金属板之间的窄间隙中通过，而在其中一个表面上的微带周围使用周期性的人工磁导体结构实现的，由于人工磁导体所具有的阻带特性，所有波在其他方向的传播是处于截止状态的，通过实现一个高的表面阻抗，即在微带两侧设置周期性结构的人工磁导体，使电磁波只在微带上方的间隙中传播，在人工磁导体结构和电导体分界处形成虚拟的磁壁，抑制了电磁波的传播，无需进行电接触，这就能够得到较低的插入损耗，无需进行金属封装，减小了滤波器的体积。这种基于人工磁导体结构的滤波器封装更简单，而且插损也很小，通过仿真和加工实测相互验证，实现了通带内插入损耗小于1dB，回波损耗小于-15dB的具有高选择性的耦合器带通滤波器，是在毫米波段对人工磁导体在无源滤波器中的很好的应用。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：包括上层介质板（6）和下层介质板（10），上层介质板（6）和下层介质板（10）之间互相贴合设置，
所述上层介质板分为左右两块，即第一上层介质板和第二上层介质板，每块介质层底面各设有一段微带馈线（7），下层介质板（10）的顶面设有人工磁导体结构和四阶耦合谐振器滤波器（9），底面为接地层（13）。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：所述第一上层介质板（10）为Rogers 5880，下层介质板（10）为Rogers 3003。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：每条微带馈线相互对称分布，每条微带馈线的阻抗均为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：所述四阶耦合谐振器滤波器（9）为对称的相互耦合结构，四阶耦合谐振器滤波器的电长度为滤波器中心频率的波长的一半，该滤波器的中心频率为31.5GHz，工作带宽为29GHz-32GHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：所述人工磁导体结构为3排周期性的人工磁导体结构，人工磁导体为Rogers 5880的介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508毫米。
6.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：所述人工磁导体结构（8）设置于四阶耦合谐振器滤波器（9）的周围。
7.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的四阶耦合谐振器滤波器，其特征在于：所述人工磁导体结构包括N个单元结构，每个单元结构均包括介质层（3）、金属板（2），介质层的上表面采用圆形的金属贴片（1），介质层的下表面采用一层金属板（2），介质层的中心进行打金属通孔（4）处理，连接圆形金属贴片（1）和接地金属板（2）。
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