CN1248095A - 含有微带天线和选频表面的滤波器 - Google Patents

Abstract

一种滤波器包括一个金属外壳、在金属外壳内的一种介电材料、外壳内的至少两个微带天线以及包括金属图案的至少一个选频表面。利用选频表面以滤波在外壳内传播的电磁信号。天线的几何图形和选频表面以及选频表面的共振频率确定滤波器是一种带通、带阻、陷波或组合滤波器。如果省略选频表面,该组合作为一种延迟电路用于延迟电磁信号,其中时间延迟是介电材料的介电常数的函数。

Description

含有微带天线和选频表面的滤波器

常规的电路板稠密地布满了许多部件。由于这些部件很接近，它们常常发出干扰电路板上其他部件工作的电磁信号。特别的，一般在微波波段滤波信号的常规频率滤波器是一个很大的寄生电磁辐射源。

本发明通过提供一个用于高频(从1到25GHz的微波信号和超过25GHz的毫米波信号)的小的和成本效率好的滤波器来解决这个问题。滤波器的尺寸与所需的工作频率成反比。本发明的滤波器被完全屏蔽，该滤波器具有最小泄漏可能干扰电路板上其他部件，使得整个电路的成本和尺寸减少。

本发明还提供一种小的和成本效率好的延迟电路用于高频(例如，具有介电常数ε_r＝30近似11mm波长的5GHz)。本发明的延迟电路也被完全屏蔽，该延迟电路具有最小泄漏可能干扰电路板上其他部件。

更详细地，本发明的滤波器利用微带(也称为“补片(patch)”)天线作为一个源和接收器天线并且经过一个外壳内的介电材料从源天线传播电磁信号到接收器天线。至少有一个选频表面嵌入在介电材料中，该表面具有一个印在上面的金属图案，它拒绝某些频率。根据几何图形，可以利用金属外壳、介电材料、源和接收器天线以及至少一个选频表面的组合来产生一个带通滤波器、一个陷波滤波器或者带通滤波器和陷波滤波器的组合，它被完全屏蔽并且发出最少的电磁干扰。

本发明的延迟电路利用微带天线作为一个源和接收器天线并且经过一个外壳内的介电材料从源天线传播电磁信号到接收器天线。延迟电路不包括至少一个选频表面。金属外壳、介电材料以及源和接收器天线的组合产生一个延迟电路，这里延迟的时间长度是嵌入的介电材料的介电常数的函数。

图1(a)和1(b)是说明第一个实施例的本发明滤波器的方块图；

图2说明第二个实施例的本发明滤波器；

图3说明第三个实施例的本发明滤波器；

图4(a)和4(b)说明由图3的滤波器产生的频率响应；以及

图5说明第四个实施例的本发明延迟电路。

本发明公开了一种用于非常高频率(1GHz以上)的小的和成本效率好的滤波器，它发出最少的电磁辐射，可能干扰电路板上滤波器附近其他部件。基本原理是提供两个天线，一个源天线和一个接收器天线，以及具有一个或多个嵌入在介电材料中的选频表面的高介电材料，该介电材料作为一种屏蔽用于拒绝某些频率。微带或补片天线用于这种目的是理想的，因为它们要求一个接地面(groundplane)，这在滤波器中提供屏蔽是必需的。

高介电材料的目的是收缩介质中的波导波长，因为波长是工作频率和介电材料的介电常数的函数。任何均匀介电材料的波导波长由下式给出 $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(1\right)$

这里c是光速(3×10⁸m/s)，f是以Hz为单位的频率，ε_r是研究材料的相对介电常数。

图1(a)和1(b)说明一个实施例中本发明的滤波器10。滤波器10是一个可逆电路，这里它的端口可以是输入或是输出。如下所述，洛伦兹可逆定理说明天线对于接收模式以及对于传送模式具有相同的辐射图案 $\∫\underset{\mathrm{va}}{\∫}\∫(E_b\•J_a-H_b\•M_a)d^{\′}v=\∫\underset{\mathrm{vb}}{\∫}\∫(E_a\•J_b-H_a\•M_b)d^{\′}v---\left(2\right)$

这里V_a和V_b是源和接收器天线的容量，E_a和E_b是由天线a和b产生的电场，J_a和J_b是a和b的电源容量电流，而磁源容量电流M_a和M_b通常是零，它消去方程式(2)的H_x·M_y项。在方程式(2)表示的洛伦兹可逆定理说明由天线a向量乘以天线b上的电容量电流产生的天线b上的电场等于由天线b向量乘以天线a上的电容量电流产生的天线a上的电场。

图1(a)和1(b)说明在一个实施例中本发明滤波器10的主要部件。图1(a)和1(b)特别说明了金属外壳12、微带天线14、微带天线16、两个选频表面18和20，以及固态介电材料22。每个选频表面18、20包括印在上面的金属图案24。选频表面18、20被嵌入在介电材料22中。金属外壳12完全包围介电材料22和选频表面18、20。

每个微带天线14、16包括接地面26和导体28。在图1(a)和1(b)说明的实施例中，金属外壳12还作为接地面26用于微带天线14、16。微带天线14、16上的导体28由铝、铜、银或金中的一种制成并且可以是圆形、矩形或椭圆形。微带天线14、16可以通过印刷电路技术或基片蚀刻产生。微带天线14、16也可以是一个微带馈电的隙缝天线。选频表面18、20由薄膜技术产生，一般是1-5密耳厚。金属图案24由铜、银、铝或金中的一种制成。介电材料22是一种固态介质，如具有1.1到10,000的介电常数的陶瓷，这里传播的电磁信号的速度V_p为： $V_p=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(3\right)$

这里c＝3.0×10⁸m/s，ε_r是介电常数。

如图1(a)和1(b)所述，选频表面18、20包括印在薄膜上周期地重复的金属图案24。金属图案24具有的形状使得它共振于一个或多个特定的频率，因此作为一个带阻滤波器。当传播的电磁信号30碰到选频表面18、20中的一个时，属于相应于金属图案24共振频率的频率的能量被金属图案24吸收并且根据斯涅尔折射定律被反射回来 $\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_t}{\sin {\mathrm{\θ}}_i}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}---\left(4\right)$

这里θ_t是反射波的角度，θ_i是入射波的角度，ε_r1是一种介质的相对介电常数，其中波从该介质入射，ε_r2是另一种介质的相对介电常数，其中波入射到该介质。

选频表面18、20对所有其他频率而不是共振频率表现出透明。

为了产生出如图1(a)和1(b)中所述的陷波滤波器10，假设具有选频表面18、20的传播电磁信号30的入射角为(但不限制为)正入射。具有不同共振频率的若干选频表面可以如图1(a)和1(b)中所述相互间一个接一个的放置以获得任何所需的频率响应。印在薄膜上的金属图案24可以是(但不限制是)形状为如图1(a)中所述的正方形(或矩形)的金属条。圆形、耶路撒冷十字形、同心环、双正方形或栅格正方形也可以用作为金属图案24。

图2说明本发明的另一个实施例，一个特别的带通滤波器40。带通滤波器40包括金属外壳12、作为发射天线的微带天线14、作为接收天线的微带天线16、两个选频表面18、20、吸收材料42以及由如外壳12相同材料制成的隔板44。传播电磁信号30由发射天线14发射并且碰撞选频表面18，该表面18具有共振频率(或频带)f₂。所有其他的频率，即f₁、f₃被允许经过选频表面18并且被吸收材料42吸收。从选频表面18反射的频率f₂碰撞在选频表面20上。频率f₂再一次被选频表面20反射，该表面20具有与选频表面18相同的共振频率。频率f₂被选频表面20反射到接收天线16。接收天线16接收的信号仅仅包括频率f₂，因此用作为带通滤波器40。金属隔板44防止在传播电磁信号30(包括f₁、f₂、f₃)和接收天线16的接收信号f₂之间的任何干扰以及在发射天线14和接收天线16之间的内部耦联。

在如图2所述的一个优选实施例中，两个选频表面18、20相对于微带天线14、16成45°放置并且相互间为90°。

图3说明本发明的第三个实施例，一个特别的组合陷波和带通滤波器50。组合陷波和带通滤波器50包括金属外壳12、微带天线14、16、52以及选频表面18。微带天线14作为发射天线并且发射频率(或频带)f₁、f₂。选频表面18具有一个等于f₂的共振频率，因此允许频率f₁经过并且在微带天线16接收，而频率f₂被反射并且在微带天线52接收。在微带天线16接收的信号如图4(a)所述是陷波信号，而在微带天线52接收的信号如图4(b)所述是带通信号。

如上所述，具有任何类型所需响应的滤波器可以使用上述的主要部件构造。另外，根据上述构造的滤波器具有优于常规表面声波(SAW)或微带滤波器的减少的辐射泄漏和损耗。另外根据上述构造的滤波器也允许在毫米波范围内工作。

图5说明本发明的另一个实施例，一个特别的延迟电路60，它包括金属外壳12、两个微带天线14、16以及介电材料14。在延迟电路60中，介电材料14的介电常数越高，电磁信号30传播得越慢。通过控制介电常数，人们能够设计延迟电路60，该电路将电磁信号30延迟所需的时间。

如上所述，具有任何延迟时间长度的延迟电路可以使用上述主要部件构造。另外，根据上述构造的延迟电路具有优于常规延迟电路的减少的辐射泄漏、改进的性能以及较小的尺寸。

Claims (28)

1.一种滤波器，包括：

一个外壳；

在所述金属外壳内的一种介电材料；

在所述金属外壳内的至少两个微带天线；以及

在所述外壳内的并且被所述介电材料封装的至少一个包括金属图案的选频表面。

其中所述至少一个选频表面嵌入在所述介电材料中；

其中所述金属外壳封装所述至少一个选频表面；

其中所述至少一个选频表面滤波所述金属外壳内传播的电磁信号。

2.如权利要求1所述的滤波器，其中滤波器是一个可逆电路。

3.如权利要求1所述的滤波器，其中所述至少两个微带天线中的每一个包括导体和接地面。

4.如权利要求3所述的滤波器，其中所述金属外壳的两个壁的每一个作为接地面用于所述至少两个微带天线的每一个。

5.如权利要求1所述的滤波器，其中金属图案周期地重复并且至少具有一个共振频率。

6.如权利要求5所述的滤波器，其中在所述至少一个选频表面的每一个上的金属图案是正方形、圆形、矩形、同心环、双正方形、栅格正方形和耶路撒冷十字形之一。

7.如权利要求1所述的滤波器，其中所述金属外壳屏蔽该滤波器。

8.如权利要求1所述的滤波器，其中在所述至少一个选频表面的每一个上的金属图案反射至少一个频率。

9.如权利要求1所述的滤波器，其中电磁信号是微波或毫米波信号。

10.如权利要求9所述的滤波器，其中所述至少两个微带天线的每一个和所述至少一个选频表面的每一个被大致上安排在并行的平面上。

11.如权利要求10所述的滤波器，其中滤波器是一种陷波滤波器。

12.如权利要求8所述的滤波器，其中所述至少两个微带天线包括被一个隔板分开的两个微带天线，一个作为沿着信号路径的若干频率的发射机，另一个作为一个特定频带的接收机；

其中所述至少一个选频表面包括两个选频表面，相对于信号路径呈锐角安排，一个选频表面接收来自发射机的若干频率而沿第二个选频表面反射特定的频带到接收机。

13.如权利要求12所述的滤波器，其中滤波器是一个可逆电路。

14.如权利要求12所述的滤波器，其中若干频率的剩余部分通过第一个选频表面并且被吸收材料吸收。

15.如权利要求12所述的滤波器，其中滤波器是一个带通滤波器。

16.如权利要求8所述的滤波器，其中所述至少两个微带天线包括三个微带天线、一个作为沿着信号路径的若干频率的发射机，两个作为接收机；

其中所述至少一个选频表面包括一个选频表面，相对于信号路径呈锐角安排，选频表面接收来自发射机的若干频率并且反射一个特定的频带到第一个接收机，除了特定频带的频率其余部分到达第二个接收机。

17.如权利要求16所述的滤波器，其中滤波器是一个组合陷波和带通滤波器。

18.一种滤波电磁信号的方法，包括步骤：

电磁信号通过一种介电材料、至少两个微带天线以及还包括一个金属图案的至少一个选频表面；以及

使用至少一个选频表面的金属图案滤波电磁信号。

19.如权利要求18所述的方法，还包括步骤：

在通过和滤波步骤期间屏蔽电磁信号。

20.一种延迟电路，包括：

一个外壳；

在所述外壳内的一种介电材料；以及

在所述金属外壳内的至少两个微带天线；

其中所述至少两个微带天线延迟所述外壳内传播的电磁信号。

21.如权利要求20所述的延迟电路，其中延迟是介电材料的介电常数的函数。

22.如权利要求20所述的延迟电路，其中所述至少两个微带天线的每一个包括一个导体和一个接地面。

23.如权利要求22所述的延迟电路，其中所述金属外壳的两个壁的每一个作为接地面用于所述至少两个微带天线的每一个。

24.如权利要求20所述的延迟电路，其中所述外壳屏蔽延迟电路。

25.如权利要求20所述的延迟电路，其中电磁信号是一种微波或毫米波信号。

26.如权利要求20所述的延迟电路，其中所述至少两个微带天线的每一个被大致上安排在并行的平面上。

27.一种延迟电磁信号的方法，包括步骤：

电磁信号通过一种介电材料和至少两个微带天线；以及

使用介电材料延迟电磁信号。

28.如权利要求27所述的方法，还包括步骤：

在通过和延迟步骤期间屏蔽电磁信号。

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