CN203839491U - 一种基于电磁感应透明的波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电磁感应透明的波导滤波器，其结构包括构成标准矩形波导的上腔体、下腔体、插入到标准矩形波导上腔体和下腔体之间的介质基板、信号输入端口和信号输出端口，介质基板正面的金属微带结构有矩形金属环、带外抑制片、两排金属化通孔和接地外延带，介质基板背面的金属微带结构有两个对称C形谐振结构以及接地外延带。位于介质基板正面的矩形金属环和位于介质基板背面的两个对称C形谐振结构相互作用产生电感应透明窗和磁感应透明窗的两个通带，即形成电磁感应透明效应，利用该效应实现的波导滤波器，其通带的上下边带各有一个传输零点，具有较高的选择性，而且结构紧凑易于设计。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波毫米波滤波器设计技术，尤其涉及一种波导型滤波器设计的新方法。
背景技术
波导滤波器由于其损耗小，功率容量大等优点在很多微波、毫米波系统中得到了广泛的应用。有多种实现技术，例如直接耦合谐振腔，消逝模波导滤波器，多模波导滤波器以及E面波导滤波器等。其中直接耦合谐振腔设计方法，虽然设计灵活，且矩形系数好，损耗小，但是其加工较复杂，成本高，不易进行大批量生产。而E面波导滤波器加工简单、成本低、适用于大批量生产，设计较灵活，但是传统的E面波导滤波器为了得到优良的滤波器性能必须进行多级两联，这不可以避免的造成滤波器的整体尺寸较大。当然研究学者们也做了必要的改进研究，其中有E面双膜片的插入(见F.Arndt,J.Bornemann,R.Vahldieck,et al.E-plane IntegratedCircuit Filters with Improved Stopband Attenuation(short Papers)[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactionson,1984,32(10),1391-1394.)虽然改善了其滤波器的阻带特性，但这种其仍需要进行多级级联，体积仍然相对较大。另外，虽然国内的研究进展相对落后一些，但仍有一些新研究成果，2009年吴卫涛、梁昌洪、翟博韬和温海宾对加载周期性脊波导的E面滤波器(见吴卫涛,梁昌洪,翟博韬,等.加载周期性脊波导的E面滤波器[C]，2009年全国微波毫米波会议，2009，51-52.)进行了研究，该滤波器基于E面膜片波导滤波器，提出了一种具有高选择性的滤波器实现方案，将插有E面膜片的波导和脊波导组合在一起，在E面膜片滤波器的半波谐振器中间嵌入周期性的脊波导结构。该E面波导滤波器克服了传统滤波器的缺点，具有带外衰减快、尺寸较传统的E面波导滤波器小的特点，当然我们也看到在其设计过程中不可避免的进行了多级级联。
在E面波导滤波器的设计中，不可避免的需要进行多级级联从而造成体积增大，因此有必要研究并设计一种新型的波导滤波器，使其采用较小的结构尺寸实现较好的滤波性能。
而电磁感应透明EIT(Electromagnetically induced transparency)效应是量子学方面的一个重要研究点，通常传输媒质因电磁感应透明效应特性而产生的一个信号可传输通带很窄。很多基于EIT效应的应用表现在量子学领域。近年来，有学者研究可以采用集总电路元件，开口谐振环等非量子学的结构实现EIT效应(见郭晓莹,杨靖,李建,等.RLC电路中类电磁感应透明现象的实验研究[J].山西大学学报(自然科学版)，2012(1)：68-74。)。
由于EIT效应可以产生一个透明通带的特性，因此可以想象采用这种电磁感应透明EIT效应是可以设计带通滤波器的。因此，本实用新型将采用EIT效应设计一种新型的E面波导滤波器，其具有高矩形系数，损耗小，结构紧凑，设计灵活等优点。这种将在这种量子学领域的电磁感应透明(EIT)效应有效的应用于毫米波频段波导滤波器设计中，将丰富滤波器设计理念，增加新理论，将为滤波器等器件设计提供一定的理论基础，具有理论与实践指导意义。
实用新型内容
为了改善E面波导滤波器的性能，在已有的研究设计中都进行了多级级联，不可避免造成了体积相对较大的缺陷，因此有必要发明一种新型的E面波导滤波器，使其克服对级联的需求，采用较小的结构尺寸实现较好的滤波性能。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种基于电磁感应透明的波导滤波器，包括构成标准矩形波导的上腔体(1)、下腔体、插入到标准矩形波导上腔体和下腔体之间的介质基板、信号输入端口和信号输出端口；所述介质基板正面的金属微带结构有矩形金属环、带外抑制片、两排金属化通孔和接地外延带，介质基板背面的金属微带结构有两个对称C形谐振结构以及接地外延带；
通过调节矩形金属环和两个对称C形谐振结构的结构尺寸，使其在某一频带内产生强的相互作用进而生成电感应透明窗和磁感应透明窗的两个通带窗口，即形成电磁感应透明效应；利用该效应实现的波导滤波器，其通带的上下边带各有一个传输零点。其具体设计为，合理设计矩形金属环和两个对称C形谐振结构的尺寸大小，使得调节电感应透明窗和磁感应透明窗的两个通带的位置，使两个透明通带接近并交叠，从而形成具有优良性能的带通滤波特性，实现基于EIT概念的波导滤波器，由于电磁感应透明窗是由电谐振和磁谐振产生的，因此在滤波器透明通带的上下边带各引入了一个传输零点，有效的提高了波导滤波器的矩形系数；
信号输入端口和输出端口直接由标准矩形波导构成，信号不需要经过任何金属微带结构过渡直接由输入端口作用到介质基板正反面的金属微带结构上，然后由输出端口输出；介质基板背面的两个对称C形谐振结构，其C型的上下臂长可以从0mm开始变化，从而可以灵活的调节并设计电感应透明通带和磁感应透明通带的位置；
介质基板正面的具有一定带外抑制作用的带外抑制片经由基板外延带与波导的上下波导壁直接相连接，其宽度取值可以为0mm；位于介质基板反面的接地外延带与介质基板正面的接地外延带结构尺寸相同，并通过两排金属化通孔相连。在设计中应注意，当矩形金属环的占空比较小时可以合理设计带外抑制片，可改善其该电磁感应透明的波导滤波器的阻带抑制性能，而当矩形金属环的占空比较大时，该结构将会很小，其改善的性能受限，因此为设计简单可以去掉该结构，也即宽度变为了0。
本实用新型采用了在具有低损耗的标准金属矩形波导，由上下腔体和构成，在其E面插入介质基板，介质基板正面的矩形金属环结构产生一个被称低Q模的本征模，该模式由矩形金属环与外部输入场的耦合效应产生，产生较强烈的吸收，即在标准矩形波导可内产生一个较宽的阻带，在相同的谐振频点上，矩形金属环的高度越大时品质因数越低，因此在本实用新型设计中应选择阻带的品质因数较低为好。介质基板背面的两个对称C形谐振结构结合介质基板正面的矩形金属环相互作用，在有输入场的情况下产生了电谐振和磁谐振，它们分别对应具有较高的品质因数的电感应透明通带和磁感应透明通带，即电磁感应透明效应，另外，由于电磁感应透明通带的本质是电磁谐振的作用，因此根据电磁谐振的理论，就会有在电感应透明通带的下边带和磁感应透明通带的上边带各出现一个零点的特性，这两个零点对设计具有高矩形系数的波导滤波器有着很重要的影响。合理设计矩形金属环和两个对称C形谐振结构，其中两个对称C形谐振结构上下臂长的L的值可以是从0开始变化的，我们就可以得到符合要求的带通EIT波导滤波器。另外在设计中，我们要特别注意，使电感应透明通带位于磁感应透明通带的下边带，并且调节结构尺寸，可以使得两个原本分开的电磁感应透明通带接近并交叠成一个具有更宽频带的电磁感应透明通带。最后，具有一定带外抑制作用的带外抑制片，在设计中可以灵活应用，当矩形金属环的占空比较小时可以合理设计带外抑制片，可改善其该电磁感应透明的波导滤波器的阻带抑制性能，而当矩形金属环的占空比较大时，该结构将会很小，其改善的性能受限，因此为设计简单可以去掉该结构，也即宽度变为了0。
本实用新型的优点和有益效果:
(1)本实用新型采用电磁感应透明(EIT)概念设计的波导滤波器设计，具有高矩形系数、小型化等优良性能。
(2)本实用新型采用矩形环、带外抑制金属片及两个对称C形谐振结构，其结构简单，设计灵活方便，且易于设计。
(3)本实用新型采用的与波导壁直接相连接的带外抑制片具有一定的带外抑制优化作用，且设计灵活。
(4)相对于传统的波导滤波器设计方法，本实用新型采用新的设计理念，将EIT效应成功用于波导滤波器的设计中，实现性能优良的波导滤波器。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型提供的基于电磁感应透明波导滤波器的结构三维示意图。
图2是本实用新型提供的基于电磁感应透明的波导滤波器的基板正面结构示意图。
图3是本实用新型提供的基于电磁感应透明的波导滤波器的基板背面结构示意图。
图4是本实用新型提供的基于电磁感应透明的波导滤波器实例的仿真及测试结果对比图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，一种基于电磁感应透明的波导滤波器，包括构成标准矩形波导的上腔体1、下腔体2、插入到标准矩形波导上腔体1和下腔体2之间的介质基板3、信号输入端口4和信号输出端口5；所述介质基板3正面的金属微带结构有矩形金属环31、带外抑制片32、两排金属化通孔33和接地外延带34，介质基板3背面的金属微带结构有两个对称C形谐振结构35以及接地外延带36；
介质基板3正面的矩形金属环31和位于介质基板3背面的两个对称C形谐振结构35相互作用产生电谐振透明窗和磁谐振透明窗的两个通带，从而形成电磁感应透明效应；利用该效应实现的波导滤波器，其通带的上下边带各有一个传输零点；
通过调节矩形金属环31和两个对称C形谐振结构35的结构尺寸，使其在某一频带内产生强的相互作用进而生成电感应透明窗和磁感应透明窗的两个通带窗口，即形成电磁感应透明效应；利用该效应实现的波导滤波器，其通带的上下边带各有一个传输零点。
信号输入端口4和输出端口5直接由标准矩形波导构成，信号不需要经过任何金属微带结构过渡直接由输入端口4作用到介质基板3正反面的金属微带结构上，然后由输出端口5输出；介质基板3背面的两个对称C形谐振结构35，其C型的上下臂长可以从0mm开始变化；
介质基板3正面的具有一定带外抑制作用的带外抑制片32经由基板外延带34与波导的上下波导壁直接相连接，其宽度取值可以为0mm；位于介质基板3反面的接地外延带36与介质基板3正面的接地外延带34结构尺寸相同，并通过两排金属化通孔33相连。
作为一个实例，一种基于电磁感应透明的波导滤波器被设计、加工、实验。标准矩形波导为工作于Ka波段的WR-28(7.112mm*3.556mm)，仿真设计中选用的介质基板为Rogers RT/duroid5880其介电常数为2.2，厚度0.254mm，损耗角正切为0.0009，其中介质基板上的电路结构尺寸分别为，矩形金属环31的高度为3mm，宽度为2mm，基板背面的对称C形谐振结构35的高度为3mm，且对称C形谐振结构35的外边缘间距为2mm，L的值和带外抑制片的宽度为0mm，所有金属条带的宽度为0.2mm。测试结果表明，采用电磁感应透明(EIT)效应设计的新型波导滤波器，具有较高的矩形系数，损耗低，带外抑制优良，且加工成本低，易于大批量生产，且该中波导滤波器设计灵活方便。另外，仿真和实测中的误差主要是由于实验中所采用的基板介电常数在Ka波段并不是恒定不变的2.2的一个常数，其值实际小于2.2，另外由于加工精度，实际操作等因素，造成了测试结果频率向高频偏移。
Claims (4)
1.一种基于电磁感应透明的波导滤波器，包括构成标准矩形波导的上腔体(1)、下腔体(2)、插入到标准矩形波导上腔体(1)和下腔体(2)之间的介质基板(3)、信号输入端口(4)和信号输出端口(5)；其特征在于：所述介质基板(3)正面的金属微带结构有矩形金属环(31)、带外抑制片(32)、两排金属化通孔(33)和接地外延带(34)，介质基板(3)背面的金属微带结构有两个对称C形谐振结构(35)以及接地外延带(36)。
2.根据权利要求1所论述的一种基于电磁感应透明的波导滤波器，其特征在于：通过调节矩形金属环(31)和两个对称C形谐振结构(35)的结构尺寸，使其在某一频带内产生强的相互作用进而生成电感应透明窗和磁感应透明窗的两个通带窗口，即形成电磁感应透明效应；利用该效应实现的波导滤波器，其通带的上下边带各有一个传输零点。
3.根据权利要求1所论述的一种基于电磁感应透明的波导滤波器，其特征在于：所述信号输入端口(4)和输出端口(5)直接由标准矩形波导构成，信号不需要经过任何金属微带结构过渡直接由输入端口(4)作用到介质基板(3)正反面的金属微带结构上，然后由输出端口(5)输出；介质基板(3)背面的两个对称C形谐振结构(35)，其C型的上下臂长可以从0mm开始变化。
4.根据权利要求1所论述的一种基于电磁感应透明的波导滤波器，其特征在于：位于介质基板(3)正面的具有一定带外抑制作用的带外抑制片(32)经由基板外延带(34)与波导的上下波导壁直接相连接，其宽度取值可以为0mm；位于介质基板(3)反面的接地外延带(36)与介质基板(3)正面的接地外延带(34)结构尺寸相同，并通过两排金属化通孔(33)相连。
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