CN114267929A - 基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，包括位于基板上的高低阻抗微带线，高低阻抗微带线包括中心微带线、长微带线、垂直微带线，高低阻抗微带线的中心微带线上下端各设有一弓形结构，弓形结构包括中间的水平段和两端的垂直段，长微带线上方、下方分别设置两个关于中心微带线左右对称的短截微带线，短截微带线为长度小于中心微带线的矩形微带线。弓形结构优化了低通滤波器的矩形系数，短截微带线等效增加了低通滤波器的耦合电容与等效电感的数量；在此优化下，低通滤波器的单元尺寸缩小、结构紧凑，与最新的同类通效果低通滤波器结构相比，其长度和宽度分别减少了约40％和32％；本发明有利于电路集成和小型化。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹无线高速通信技术领域，尤其是一种基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器。
背景技术
太赫兹频段存在大量未被开发的频谱资源，非常适于作为未来无线通信的新频段。在众多太赫兹技术途径中，采用固态电子学技术途径实现的无线通信系统，在未来存在将系统进行片上集成的可能，这对太赫兹无线通信系统走向实用化具有重要意义。
混频器作为太赫兹无线高速通信前端的关键部分，其结构优化、尺寸小型化一直都是太赫兹通信领域研究的热点。微带谐振单元滤波器作为频率选择器件是固态太赫兹混频器中的重要部分。随着太赫兹技术的愈发成熟，高性能太赫兹器件的需求也会日渐迫切，相关的研究工作也会越来越受到重视。而对于工作在太赫兹频段的滤波器，由于此频段特殊的波长特性，滤波器的结构与尺寸成为研究和加工的瓶颈。不同结构滤波器各自在系统及器件中的功能都有充分体现。
平面微带滤波器以其易于处理和集成的优点在现代无线通信系统中得到了广泛的应用。传统的微带滤波器大多由高、低阻抗线实现，受传输线特性阻抗的限制，结构尺寸较大，如图1-(a)所示。为了满足现代无线通信系统对滤波器结构紧凑、通带插入损耗低、电阻带宽大和选择性好的要求，一维电磁带隙结构被提出，这种结构称为紧凑微带谐振单元。将紧凑微带谐振单元应用于低通滤波器设计，可以显著减小滤波器的尺寸，提高性能。此后，直线紧凑型微带谐振单元、锤形紧凑型微带谐振单元和互补紧凑型微带谐振单元逐渐兴起，分别如图1-(b)、1-(c)、1-(d)所示。
现有的平面微带滤波器自身结构尺寸较大，并且单个单元无法实现通带回波损耗S11优于15dB，带外抑制优于30dB的要求。通常需要多个单元级联才能达到所需指标。但随着介质基板尺寸的增多，插损会增大，同时也增加了整体器件的尺寸和制造成本。并且现有的平面微带滤波器容差性能一般，加工中造成的装配误差会影响到整个器件的性能。
发明内容
本发明针对以上问题，在平面微带滤波器的结构设计中进行创新，最终达到缩小单元尺寸，单个单元实现目标性能，且容差性能良好的目的。并且有效减小整体尺寸，有利于电路集成和小型化。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，包括位于基板上的高低阻抗微带线3，高低阻抗微带线3包括垂直于传播方向的中心微带线31、沿传播方向的长微带线32、连接在长微带线32两端的垂直微带线33，长微带线32位于高低阻抗微带线整体的横向中心轴上，中心微带线31位于高低阻抗微带线整体的纵向中心轴上；
高低阻抗微带线3关于所述横向中心轴上下对称、关于所述纵向中心轴左右对称；
高低阻抗微带线3的中心微带线31上下端各设有一弓形结构1，弓形结构1包括中间的水平段11和两端的垂直段12，长微带线32上方、下方分别设置两个关于中心微带线31左右对称的短截微带线2，短截微带线2为长度小于中心微带线31的矩形微带线。
作为优选方式，基板为石英材料基板。
作为优选方式，高低阻抗微带线结构3通过在基板上刻蚀镀金得到。
作为优选方式，基板放入黄铜腔体中。
作为优选方式，基板材料的相对介电常数为3.78，厚度为50um。
作为优选方式，作为本振低通滤波器时通带为0-130GHz，弓形结构水平段11的长度K1＝210um，中心微带线31水平方向的长度K2＝60um，长微带线32垂直方向的长度K3＝20um，短截微带线2水平方向的长度K4＝70um。
作为优选方式，作为中频低通滤波器时通带为0-50GHz，弓形结构水平段11的长度K1＝470um，中心微带线31水平方向的长度K2＝80um，长微带线32垂直方向的长度K3＝20um，短截微带线2水平方向的长度K4＝120um。
作为优选方式，石英基板和上腔体之间留有20um的间隙。
本发明的原理如下：
根据传输线理论，慢波是一种相速度小于无界介质中相速度的导行波，其无损传播常数β为
式中ω为角频率。相位速度vp和波长λ可通过以下方式实现：
以上公式说明了慢波特性的原理。增加分布串联电感L和分布并联电容C可以降低小波速度vp和波长λ。边缘两条平行线上的弓形结构可以优化滤波器的矩形系数，同时使结构更加紧凑。
本发明滤波器的等效电路如图7所示，其中C1是各个微带线平行线之间的耦合电容，C2和C3是整个微带结构的对地等效电容。L1和L2是水平方向上垂直微带线33、长微带线32、弓形结构1微带线和短截微带线2的等效电感，L3是垂直方向上长微带线32和弓形结构1微带线的等效电感。根据等效电路，可以从以下变量中调整低通频带和优化滤波器矩形系数：减少K2和K3可以增加等效串联电感L2和L3，从而减小低通范围；当K1增大时，L2与C1线之间的耦合电容增大，截止频率和谐振频率降低，导致低通范围减小；减小垂直微带线33与谐振中心传输线间距可以增大边缘耦合电容，降低谐振频率，从而减小低通范围；在平行线上增加的四个垂直段12可以增加C1和L2的值，减小低通范围，优化矩形系数，使结构更加紧凑；本发明增加的短截微带线2相当于在电路中新增了四个电容C1和四个电感L2，增加该结构的长度K4能增大L2和C1的值，并优化滤波器的矩形系数。
本发明的有益效果为：本发明基于太赫兹220GHz混频器中的滤波部分，提出了一种新型紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器。其中的弓形结构1优化了低通滤波器的矩形系数，短截微带线2等效增加了低通滤波器的耦合电容与等效电感的数量。在此优化下，低通滤波器的单元尺寸缩小、结构紧凑，与最新的同类通效果低通滤波器结构相比，其长度和宽度分别减少了约40％和32％，并且本发明单个单元便能实现目标性能。该结构采用的石英介质基板具有低损耗、耐高温的特点，其加工技术经过多年发展精度可高达10um。石英基板易碎易弯折，且长度增加会带来一定损耗，因此减小尺寸对于优化结果，简化加工有重要意义。本发明提出的新型紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，与目前发展的同类型太赫兹低通滤波器结构相比，尺寸大大减小，并且具有优良的性质，在加工应用中容差性能良好，可以有效应用于实际工程。本发明同样可以应用于太赫兹通信系统前端其他关键器件中。对于混频器结构小型化，太赫兹通信电路集成具有重要意义。
附图说明
图1是现有几种平面微带滤波器的结构方案；
图2是本发明的高低阻抗微带线的平面结构图；
图3(a)是本发明的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器作为本振低通滤波器的立体结构示意图；
图3(b)是本发明的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器作为中频低通滤波器的立体结构示意图；
图4(a)是本发明的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器作为本振低通滤波器的仿真结果图，S11为滤波器的回波损耗，S21为滤波器的插入损耗；
图4(b)是本发明的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器作为中频低通滤波器的仿真结果图，S11为滤波器的回波损耗，S21为滤波器的插入损耗；
图5是本发明的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器的容差性能分析结果图，S11为滤波器的回波损耗，S21为滤波器的插入损耗；
图6(a)是本发明与现有技术中其他平面微带结构低通滤波器尺寸比较图；
图6(b)是本发明与现有技术中另一款紧凑微带谐振单元低通滤波器性能比较图，S11为滤波器的回波损耗，S21为滤波器的插入损耗；
图7是本发明滤波器的等效电路图。
1为弓形结构，11为水平段，12为垂直段，2为短截微带线，3为高低阻抗微带线，31为中心微带线，32为长微带线，33为垂直微带线，4为上腔体。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例提供一种基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，包括位于基板上的高低阻抗微带线3，高低阻抗微带线3包括垂直于传播方向的中心微带线31、沿传播方向的长微带线32、连接在长微带线32两端的垂直微带线33，长微带线32位于高低阻抗微带线整体的横向中心轴上，中心微带线31位于高低阻抗微带线整体的纵向中心轴上，高低阻抗微带线3关于所述横向中心轴上下对称、关于所述纵向中心轴左右对称；
高低阻抗微带线3的中心微带线31上下端各设有一弓形结构1，弓形结构1包括中间的水平段11和两端的垂直段12，长微带线32上方、下方分别设置两个关于中心微带线31左右对称的短截微带线2，短截微带线2为长度小于中心微带线31的矩形微带线。
具体的，基板为石英材料基板。
具体的，高低阻抗微带线结构3通过在基板上刻蚀镀金得到。
具体的，基板放入黄铜腔体中。
具体的，基板材料的相对介电常数为3.78，厚度为50um。
具体的，本实施例作为本振低通滤波器时通带为0-130GHz，弓形结构水平段11的长度K1＝210um，中心微带线31水平方向的长度K2＝60um，长微带线32垂直方向的长度K3＝20um，短截微带线2水平方向的长度K4＝70um。
具体的，本实施例作为中频低通滤波器时通带为0-50GHz，弓形结构水平段11的长度K1＝470um，中心微带线31水平方向的长度K2＝80um，长微带线32垂直方向的长度K3＝20um，短截微带线2水平方向的长度K4＝120um。
具体的，石英基板和上腔体之间留有20um的间隙。
通过结果图4(a)、4(b)可以看到，在达成回波损耗优于20dB，带外抑制优于30dB的目标下，本振滤波器通带为0-130GHz，带外抑制效果在190-260GHz频段实现。中频滤波器的通带为0-50GHz，并在90-120GHz的频带得到了要求的抑制效果。
在实际工程应用中，同时考虑到基板和腔体的加工误差，腔体和基板的宽度过窄，无法防止基板的挤压。因此在设计中石英基板和上腔体之间留有20um的间隙。分析基板位置偏移的容差性能很有必要。图5中的结果表明，该结构滤波器对于加工装配的容差性能良好。
为了进一步验证本发明中尺寸与性能的优化程度。从图6(a)、6(b)可以看出，本发明具有较高的回波损耗。中频滤波器的尺寸为740um×340um，另一款紧凑微带谐振单元低通滤波器的尺寸为1220um×500um，高低阻抗线低通滤波器的尺寸为2530um×500um。与另一款最新的紧凑微带谐振单元低通滤波器相比，本发明的长度和宽度分别减少了约40％和32％。结果表明，采用本发明可以显著减小滤波器的尺寸，对通信系统的小型化和系统集成具有重要意义。
本实施例的原理如下：
根据传输线理论，慢波是一种相速度小于无界介质中相速度的导行波，其无损传播常数β为
式中ω为角频率。相位速度vp和波长λ可通过以下方式实现：
以上公式说明了慢波特性的原理。增加分布串联电感L和分布并联电容C可以降低小波速度vp和波长λ。边缘两条平行线上的弓形结构可以优化滤波器的矩形系数，同时使结构更加紧凑。
本发明滤波器的等效电路如图7所示，其中C1是平行线之间的耦合电容，C2和C3是微带结构的对地等效电容。L1和L2是水平方向上垂直微带线33、长微带线32、弓形结构1微带线和短截微带线2的等效电感，L3是垂直方向上长微带线32和弓形结构1微带线的等效电感。根据等效电路，可以从以下变量中调整低通频带和优化滤波器矩形系数：减少K2和K3可以增加等效串联电感L2和L3，从而减小低通范围；当K1增大时，L2与C1线之间的耦合电容增大，截止频率和谐振频率降低，导致低通范围减小；减小垂直微带线33与谐振中心传输线间距可以增大边缘耦合电容，降低谐振频率，从而减小低通范围；在平行线上增加的四个垂直段12可以增加C1和L2的值，减小低通范围，优化矩形系数，使结构更加紧凑；本发明增加的短截微带线2相当于在电路中新增了四个电容C1和四个电感L2，增加该结构的长度K4能增大L2和C1的值，并优化滤波器的矩形系数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，包括位于基板上的高低阻抗微带线(3)，高低阻抗微带线(3)包括垂直于传播方向的中心微带线(31)、沿传播方向的长微带线(32)、连接在长微带线(32)两端的垂直微带线(33)，长微带线(32)位于高低阻抗微带线整体的横向中心轴上，中心微带线(31)位于高低阻抗微带线整体的纵向中心轴上，其特征在于：
高低阻抗微带线(3)关于所述横向中心轴上下对称、关于所述纵向中心轴左右对称；
高低阻抗微带线(3)的中心微带线(31)上下端各设有一弓形结构(1)，弓形结构(1)包括中间的水平段(11)和两端的垂直段(12)，长微带线(32)上方、下方分别设置两个关于中心微带线(31)左右对称的短截微带线(2)，短截微带线(2)为长度小于中心微带线(31)的矩形微带线。
2.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：基板为石英材料基板。
3.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：高低阻抗微带线结构(3)通过在基板上刻蚀镀金得到。
4.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：基板放入黄铜腔体中。
5.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：基板材料的相对介电常数为3.78，厚度为50um。
6.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：作为本振低通滤波器时通带为0-130GHz，弓形结构水平段(11)的长度K1＝210um，中心微带线(31)水平方向的长度K2＝60um，长微带线(32)垂直方向的长度K3＝20um，短截微带线(2)水平方向的长度K4＝70um。
7.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：作为中频低通滤波器时通带为0-50GHz，弓形结构水平段(11)的长度K1＝470um，中心微带线(31)水平方向的长度K2＝80um，长微带线(32)垂直方向的长度K3＝20um，短截微带线(2)水平方向的长度K4＝120um。
8.根据权利要求1所述的基于紧凑微带谐振单元的太赫兹低通滤波器，其特征在于：石英基板和上腔体之间留有20um的间隙。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220401 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |