CN112713370A - 一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器 - Google Patents

一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，包括圆筒形的环形槽线外壳、开口谐振环阵列；所述开口谐振环阵列同轴心设置在环形槽线外壳，包括均匀分布的多个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括多个开口谐振环；在所述环形槽线外壳与开口谐振环阵列之间设置有聚四氟乙烯基底；开口谐振环阵列绕圆波导传输方向角向旋转均匀铺设在聚四氟乙烯基底上；所述开口谐振环为方形的开口谐振环。本发明通过上述设置实现了对圆波导波导壁内传输电磁波的TM0n模式进行选择通过，对其他模式滤波进行衰减滤除，衰减效果＞30dB，为科研及工程应用提供特定模式电磁场。

Description

一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器
技术领域
本发明属于选频滤波技术领域，具体地说，涉及一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器。
背景技术
滤波器作为一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。滤波器通常分为空间场、电路两种形式。电路形式是利用电阻、电抗器和电容器元器件构成的滤波电路。谐振频率时，电路阻抗值最小，非谐振频率时，电路阻抗比很大，将电路元器件数值调整到某一特征谐波频率，则能滤除该次谐波电流；当若干谐波频率的谐振电流组成在一起，则能滤除对应的特征谐波频率。空间场形式是利用电磁波在谐振腔中的谐振及耦合作用，形成等效的电阻、电抗和电容，从而实现滤波。
随着电子技术的不断发展，滤波器从种类上已发展为数字滤波器、程控滤波系统、有源滤波器及无源滤波器等。在各个频段上，滤波器已发展出相应的低通滤波器，高通滤波器和带阻滤波器等，已广泛地应用在通信，电源，电磁兼容等领域。目前，国内外滤波器技术主要聚焦在对特定频率范围进行选择，但在波导中多种模式同时存在的情况下，缺少相应的滤波器对特定模式进行选择。
发明内容
本发明针对现有技术的上述需求，提出了一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，通过设置环形槽线外壳、开口谐振环阵列和聚四氟乙烯基底，实现了对圆波导波导壁内传输的Ku波段电磁波的TM0n模式进行选择通过，对其他模式滤波进行滤除，为某些科研及工程应用提供特定模式电磁场。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，包括圆筒形的环形槽线外壳、开口谐振环阵列；
所述开口谐振环阵列同轴心设置在环形槽线外壳，包括均匀分布的多个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括多个开口谐振环；
在所述环形槽线外壳与开口谐振环阵列之间设置有聚四氟乙烯基底；开口谐振环阵列绕圆波导传输方向角向旋转均匀铺设在聚四氟乙烯基底上；
所述开口谐振环为方形的开口谐振环。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述开口谐振环为外环边长为2mm的正方形开口谐振环，且内环与外环的环宽为0.2mm，内环与外环之间的间隔为0.2mm；且内环与外环的开口相对于内环与外环同一轴线对称；所述内环与外环的厚度为0.2mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述开口谐振环阵列包括15个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括15个开口谐振环；每个开口谐振环阵列单元之间的间隔为0.2mm，每个开口谐振环之间的间隔为0.2mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括聚四氟乙烯固定板，所述环形槽线外壳内侧均匀设置15条槽线，所述聚四氟乙烯固定板穿过聚四氟乙烯基底连接在环形槽线外壳的槽线和开口谐振环阵列上的开口谐振环缝隙之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述环形槽线外壳的材料为铜或者铝。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述环形槽线外壳的内截面直径为38.1mm，长度为35mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述聚四氟乙烯基底的半径为6.25mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述槽线的宽度为2mm，深度为4.5mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述开口谐振环的材料为纯铜。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
本发明能够特定对TM0n模式进行选择通过，对其他模式进行衰减，根据图6所示的仿真结果，其在Ku波段对TM01模式几乎没有衰减，S21参数基本在-1dB范围内，而TE01模式衰减明显，3dB带宽5.2GHz，10dB带宽4.3GHz，最大衰减64.2dB。
附图说明
图1为开口谐振环结构尺寸示意图；
图2为开口谐振环阵列中多个开口谐振环分布示意图；
图3为本发明滤波器截面示意图；
图4为本发明滤波器的立体透视图；
图5为本发明滤波器增加槽线的立体透视图；
图6为本发明仿真结构示意图。
其中：1、环形槽线外壳，2、开口谐振环阵列，3、聚四氟乙烯基底，4、聚四氟乙烯固定板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，包括圆筒形的环形槽线外壳1、开口谐振环阵列2；
所述开口谐振环阵列2同轴心设置在环形槽线外壳1，包括均匀分布的多个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括多个开口谐振环；
在所述环形槽线外壳1与开口谐振环阵列2之间设置有聚四氟乙烯基底3；开口谐振环阵列2绕圆波导传输方向角向旋转均匀铺设在聚四氟乙烯基底3上；
所述开口谐振环为方形的开口谐振环。
所述环形槽线外壳1的材料为铜或者铝。
所述开口谐振环的材料为纯铜。
工作原理：开口谐振环在一定条件下具有左手效应的特质，设r为内环的内半径，c为内外环的宽度，d为内外环的间隙，且三者之间满足，假设开口谐振环纵向为无限长的柱体，横向周期排列，周期为a，当在环上施加垂直穿过电流环的均匀外部磁场
Figure BDA0002810290850000031
则在开口谐振环上将产生感应电流
Figure BDA0002810290850000032
为：
Figure BDA0002810290850000033
其中，σ为金属环沿着圆周单位面积的电阻率，单位长度电容
Figure BDA0002810290850000034
(c0为自由空间中的光速)，此时：
Figure BDA0002810290850000035
由式(1-2)可知，开口谐振环进行周期排列形成的结构，磁导率表达式类似于Drude模型，由此，可得出开口谐振环的谐振频率为：
Figure BDA0002810290850000041
磁等离子体频率为：
Figure BDA0002810290850000042
等效磁导率的Drude模型可以写为：
Figure BDA0002810290850000043
其中，Γ表示其损耗特性。
由式(1-5)可知，当磁场垂直谐振环平面产生强烈的磁耦合，在w0＜w＜wmp频率范围内，μeff＜0，即等效磁导率为负值。而当磁场平行于谐振环平面时，由于没有产生磁耦合和感应电流环，将不能产生负磁导率。
在介质填充波导中，波数与介电常数ε磁导率μ的关系是：
Figure BDA0002810290850000044
由式(1-6)可知，当磁导率μ为负值时，波数为虚数，此时电磁波在介质中将不能传播。即电场平行于开口谐振环形平面时，将在高于截止频率的某段频率形成阻带。
根据以上关系，并结合圆波导波导壁内各个电磁场模式之间场分布存在的差异，对开口谐振环进行阵列布局设计出本发明的滤波器可以实现特定对TM0n模式进行选择通过，对其他模式进行衰减，如图6所示，根据仿真结果，利用HFSS进行仿真其结果相较于传统的滤波器，本发明在Ku波段对TM01模式电磁波几乎没有衰减，S21参数基本在-1dB范围内，而TE01模式电磁波衰减明显，3dB带宽5.2GHz，10dB带宽4.3GHz，最大衰减64.2dB。
聚四氟乙烯基底3因其优良的低介电常数及损耗，其本身对电场的影响微乎其微，可作为承接环形槽线外壳1及开口谐振环阵列2的结构。聚四氟乙烯基底2的半径为6.24mm，通过开口谐振环阵列2缝隙嵌入槽线中。本发明是在利用环形槽线外壳，对TE0n模式在波导内壁表面电流进行截断，阻碍其电磁波的通过。同时通过嵌入环状开口谐振环阵列，使谐振环阵列与电磁波中的平行电场及垂直磁场进行耦合。模式滤波器对圆波导波导壁内传输电磁波的TM0n模式电磁波不产生耦合而选择通过，对其他模式电磁波进行耦合衰减达到滤波效果。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述开口谐振环为外环边长为2mm的正方形开口谐振环，且内环与外环的环宽为0.2mm，内环与外环之间的间隔为0.2mm；且内环与外环的开口相对于内环与外环同一轴线对称；所述内环与外环的厚度为0.2mm。
工作原理：开口谐振环外侧边长为2mm，间隔为0.2mm，厚度为0.2mm的纯铜所制，其阵列为1*15，15个阵列绕圆波导传输方向角向旋转，开口谐振环阵列单元间缝隙与槽线相对，铺设在聚四氟乙烯基底内侧。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述开口谐振环阵列2包括15个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括15个开口谐振环；每个开口谐振环阵列单元之间的间隔为0.2mm，每个开口谐振环之间的间隔为0.2mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，还包括聚四氟乙烯固定板4，所述环形槽线外壳1内侧均匀设置15条槽线，所述聚四氟乙烯固定板4穿过聚四氟乙烯基底连接在环形槽线外壳1的槽线和开口谐振环阵列2上的开口谐振环缝隙之间。
工作原理：
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述环形槽线外壳1的内截面直径为38.1mm，长度为35mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述聚四氟乙烯基底3的半径为6.25mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述槽线的宽度为2mm，深度为4.5mm。
工作原理：环形槽线外壳材料为铜或铝，内截面直径38.10mm，长度为35mm。槽线沿圆心环状排布，共15条。槽线宽度为2mm，深度为4.5mm，作用是截断铜制外壳内侧的表面电流，对TE0n模式的电磁波进行衰减。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，包括圆筒形的环形槽线外壳（1）、开口谐振环阵列（2）；
所述开口谐振环阵列（2）同轴心设置在环形槽线外壳（1），包括均匀分布的多个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括多个开口谐振环；
在所述环形槽线外壳（1）与开口谐振环阵列（2）之间设置有聚四氟乙烯基底（3）；开口谐振环阵列（2）绕圆波导传输方向角向旋转均匀铺设在聚四氟乙烯基底（3）上；
所述开口谐振环为方形的开口谐振环。
2.如权利要求1所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述开口谐振环为外环边长为2mm的正方形开口谐振环，且内环与外环的环宽为0.2mm，内环与外环之间的间隔为0.2mm；且内环与外环的开口相对于内环与外环同一轴线对称；所述内环与外环的厚度为0.2mm。
3.如权利要求1或2所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述开口谐振环阵列（2）包括15个开口谐振环阵列单元，每个开口谐振环阵列单元包括15个开口谐振环；每个开口谐振环阵列单元之间的间隔为0.2mm，每个开口谐振环之间的间隔为0.2mm。
4.如权利要求3所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，还包括聚四氟乙烯固定板（4），所述环形槽线外壳（1）内侧均匀设置15条槽线，所述聚四氟乙烯固定板（4）穿过聚四氟乙烯基底连接在环形槽线外壳（1）的槽线和开口谐振环阵列（2）上的开口谐振环缝隙之间。
5.如权利要求1所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述环形槽线外壳（1）的材料为铜或者铝。
6.如权利要求1或2或5所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述环形槽线外壳（1）的内截面直径为38.1mm，长度为35mm。
7.如权利要求6所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述聚四氟乙烯基底（3）的半径为6.25mm。
8.如权利要求4所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述槽线的宽度为2mm，深度为4.5mm。
9.如权利要求1所述的一种圆波导Ku波段电磁波的TM0n模式滤波器，其特征在于，所述开口谐振环的材料为纯铜。
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