一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器

摘要

本发明公开了一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器。包括介质板，介质板一表面上设有金属微带，另一表面设有金属地；所述金属微带的结构为：金属微带的中部设有人工表面等离激元段，人工表面等离激元段的两端分别经过渡段与微带波导段连接；所述的人工表面等离激元段和过渡段上沿金属微带的长度方向分布有镂空的方槽，相邻两方槽间经镂空的方带连接；处于过渡段的方槽的上、下边缘均为沿过渡段向微带波导段方向渐变收敛的曲线。本发明低传输损耗、反射特性小、带外抑制性能优，抗电磁干扰能力强，适应于高频集成电路的特点。

权利要求

1.一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器，其特征在于：包括介质板(1)，介质板(1)一表面上设有金属微带(2)，另一表面设有金属地(3)；所述金属微带(2)的结构为：金属微带(2)的中部设有人工表面等离激元段(21)，人工表面等离激元段(21)的两端分别经过渡段(22)与微带波导段(23)连接；所述的人工表面等离激元段(21)和过渡段(22)上沿金属微带(2)的长度方向分布有镂空的方槽(24)，相邻两方槽(24)间经镂空的方带(25)连接；处于过渡段(22)的方槽(24)的上、下边缘均为沿过渡段(22)向微带波导段(23)方向渐变收敛的曲线(26)；所述的曲线(26)为满足方程X＝L1+L2*t3,Y＝h*(exp(b*t-1)/(expb-

1))的曲线；其中t为自变量参数，b为曲线形状系数，h为金属微带(2)宽度；L1为微带波导段(23)长度，L2为过渡段(22)长度；所述的h＝2～8mm，L1＝5～15mm，L2＝10～60mm，t＝0～1，b＝6.5～80。

2.根据权利要求1所述的具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器，其特征在于：所述的介质板(1)的厚度g＝0.3～1.2mm，方槽(24)的边长a＝0.5～5.0mm，方带(25)的宽β＝

0.5～3mm，方槽(24)的周期p＝1～8mm。

说明书

一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及滤波器技术领域，特别是一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器。

背景技术

[0002] 当今大数据时代，随着信息的需求量成爆炸式的增长，移动通讯领域要求能制造出集成度更高的微波器件，然而随着高频集成电路尺寸的不断缩小，技术上出现了一系列问题，例如当微波器件的尺寸小到一定的程度，器件的电磁干扰噪声，RC延迟等达到极限导致器件工作不稳定，因此现有的微波器件已不能适应当今大规模微波集成电路的发展。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于，提供一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器。本发明低传输损耗、反射特性小、带外抑制性能优越，抗电磁干扰能力强，适应于高频集成电路的特点。本发明还能利用周期性方槽形成的两种不同的本征模式，使得滤波器工作于两种不同的频段，实现滤波器的一功多能。

[0004] 本发明的技术方案：一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器，包括介质板，介质板一表面上设有金属微带，另一表面设有金属地；所述金属微带的结构为：金属微带的中部设有人工表面等离激元段，人工表面等离激元段的两端分别经过渡段与微带波导段连接；所述的人工表面等离激元段和过渡段上沿金属微带的长度方向分布有镂空的方槽，相邻两方槽间经镂空的方带连接；处于过渡段的方槽的上、下边缘均为沿过渡段向微带波导段方向渐变收敛的曲线。

[0005] 前述的具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器中，所述的曲线为满足方程X＝L1+L2*t3,Y＝h*(exp(b*t-1)/(expb-1))的曲线；其中t为自变量参数，b为曲线形状系数，h为金属微带宽度；L1为微带波导段长度，L2为过渡段长度。

[0006] 前述的具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器中，所述的h＝2～8mm，L1＝5～15mm，L2＝10～60mm，t＝0～1，b＝6.5～80。

[0007] 前述的具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器中，所述的介质板的厚度g＝0.3～1.2mm，方槽的边长a＝0.5～5.0mm，方带的宽β＝0.5～3mm，方槽的周期p＝1～8mm。

[0008] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0009] 1.本发明在介质板的一表面设置金属微带，另一表面设置金属地，金属微带分为三段，分别是人工表面等离激元段(以下用其长度符号L3替代)、过渡段(以下用其长度符号L2替代)和微带波导段(以下用其长度符号L1替代)；其中L3的两端分别经L2与L1连接；在L3和L2上、沿金属微带的长度方向分布有镂空的方槽，处于L2上的方槽的上、下边缘均为沿L2向L1方向渐变收敛的曲线；上述结构中，因处于L2上的方槽的上、下边缘均为沿L2向L1方向渐变收敛的曲线，实现了电磁场在L1和L3中传播的平稳过渡，避免了电磁场由准TEM模式转化为SSPPs模式传播时因模式和阻抗不匹配而出现的强烈的微波电场反射。

[0010] 针对本发明L2的方槽上、下边缘的曲线，申请人经过大量实验得出，在本发明的滤波器结构中，当L2的方槽的上、下边缘的曲线满足方程X＝L1+L2*t3,Y＝h*(exp(b*t-1)/(expb-1))时，电磁场传播的过渡最平稳；进一步地，申请人在不断地进行实验参数的修正时发现，本发明实现电磁场传播时平稳过渡的最佳参数如下：t＝0～1，b＝6.5～80，h＝2～8mm，L1＝5～15mm，L2＝10～60mm。

[0011] 2.本发明在L3上设置镂空的方槽，方槽间经镂空的方带连接。将该结构使用到本发明的微波器中，由于该周期性设置的方槽具有多种本征工作模式，利用波导端口能够激励出其中两种不同的偶模工作模式，于是本发明的滤波器就能在两种不同的微波频段工作，实现一个滤波器多种制式工作的能力。此外，该结构能让电磁场在界面传输时被束缚在方槽周围，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得本发明抗干扰能力大大增强，同时也增强了本发明用于高密度微波集成电路中工作时的稳定性。不仅如此，因抗电磁干扰能力大大增强，本发明还能减小微波集成电路的金属微带间的间距以实现器件的小型化，因而能更好地适应当今大规模微波集成电路的发展。本发明还能通过调节方槽的几何尺寸来调控微波传输线的截止频率和电磁场分布，同时调整电磁波的束缚效果。申请人在进行大量的参数修正实验后发现，在本发明的微波器结构中，当方槽的边长a＝0.5～5.0mm，方带的宽β＝0.5～3mm，方槽周期p为1～8mm时，方槽对电磁场的束缚效果最佳。

[0012] 综上，本发明低传输损耗、反射特性小、带外抑制性能优越，抗电磁干扰能力强，适应于高频集成电路的特点。本发明还能利用周期性方槽形成的两种不同的本征模式，使得滤波器工作于两种不同的频段，实现滤波器的一功多能。

[0013] 为了更好地证明本发明的有益效果，申请进行了如下实验：申请人设计一个具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器样品，正面结构如图1，样品的参数如表1。

[0014] 表1具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器样品各部分参数(单位：mm)[0015]

[0016]

[0017] 该样品的介质板采用介电常数为6.15的基片，对该样品单元结构本征模式的计算结果如图4所示。列举了前两个偶模本征模，其中模式1频带范围为0～10.56GHz，模式2频带范围为14.36～17.05GHz，且为负群速本征模。由单元结构构成的滤波器(如图1所示)特性曲线经时域有限积分计算如图3所示，图3中S11为滤波器反射系数，S21为滤波器传输系数，该样品为双通带滤波器，其第一频段为低通带，-3dB带宽为0～10.31GHz，样品在该通带内插损很小，大于-0.9dB，纹波抖动优于0.45dB，通带内反射小于-12.2dB，带外抑制特性优，其矩形系数(3dB带宽与40dB带宽之比)可达到0.96。第二频段为带通频带，-3dB带宽为14.73～18.69GHz，样品在该通带内最低插损小于-0.91dB，纹波抖动优于2.5dB，通带内反射小于-10.8dB。由图3，图4可知，滤波器的双工作频带分别对应于本征模1和本征模2，其中本征模2具有负群速。由上述可知，该滤波器样品具有一个器件、多种通讯制式的工作能力(即一功多能)，继而能有效减少通讯系统中器件个数，缩小设备体积。同时由图3可得，该滤波器样品的带外抑制性能优越。

[0018] 对图1滤波器样品工作于5GHz时的表面电场分布做计算，结果如图5所示，对图1滤波器样品工作于18GHz时的表面电场分布做计算，结果如图6所示，由图5,6得知，样品在通带内工作时，电场为偶模式，与其本征模态对应，电场能量被局域于滤波器方槽的周围，向四周扩散很小，这使得滤波器抗电磁干扰的能力大大加强。

[0019] 对图1滤波器样品工作于12GHz时的表面电场分布做计算，结果如图7所示。对图1滤波器样品工作于21GHz时的表面电场分布做计算，结果如图8所示。由图7,8得知，该滤波器在12GH和21GHz工作时，均为滤波器带外，电场能量由滤波器输入端口输入后，迅速衰减，无法传播到输出端。无法传达到输出端就说明，超过这一频率的电磁信号会被有效隔离，从而实现滤波功能，也就是滤除不需要的干扰信号。

附图说明

[0020] 图1是本发明的正面结构示意图；

[0021] 图2是本发明的反面结构示意图；

[0022] 图3是样品的S参数曲线图；

[0023] 图4是滤波器单元结构的本征模色散关系曲线图(插图从左至右分别为模1和模2电场分布图)；

[0024] 图5是滤波器样品工作于第一通带5GHz时的垂直表面电场分布图；

[0025] 图6是滤波器样品工作于第二通带18GHz时的垂直表面电场分布图；

[0026] 图7滤波器样品工作于12GHz时的垂直表面电场分布；

[0027] 图8滤波器样品工作于21GHz时的垂直表面电场分布。

[0028] 附图中的标记为：1-介质板，2-金属微带，21-人工表面等离激元段，22-过渡段，23-微带波导段，24-方槽，25-方带，26-曲线，3-金属地。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

[0030] 实施例。一种具有双频段工作特性的方槽结构微波滤波器，构成如图1和2所示，包括介质板1，介质板1一表面上设有金属微带2，另一表面设有金属地3；所述金属微带2的结构为：金属微带2的中部设有人工表面等离激元段21，人工表面等离激元段21的两端分别经过渡段22与微带波导段23连接；所述的人工表面等离激元段21和过渡段22上沿金属微带2的长度方向分布有镂空的方槽24，相邻两方槽24间经镂空的方带25连接；处于过渡段22的方槽24的上、下边缘均为沿过渡段22向微带波导段23方向渐变收敛的曲线26。

[0031] 前述的曲线26为满足方程X＝L1+L2*t3,Y＝h*(exp(b*t-1)/(expb-1))的曲线；其中t为自变量参数，b为曲线形状系数，h为金属微带2宽度；L1为微带波导段23长度，L2为过渡段22长度。

[0032] 前述的h＝2～8mm，L1＝5～15mm，L2＝10～60mm，t＝0～1，b＝6.5～80。

[0033] 前述的介质板1的厚度g＝0.3～1.2mm，方槽24的边长a＝0.5～5.0mm，方带25的宽β＝0.5～3.0mm，方槽24的周期p＝1～8mm。所述的人工表面等离激元段21的长度L3可根据滤波器的大小进行设置，该参数仅对滤波器的大小有影响，不影响滤波器性能。人工表面等离激元段21的长度可参考L3＝20～80mm。

[0034] 工作原理：准TEM模式的电磁场由左边的微带波导段23传输到过渡段22，在过渡段22中逐渐渐变为SSPPs模式的电磁场，且在过渡段22中准TEM模式和SSPPs模式的电磁场共存，当人工表面等离激元段21时，完全转化为SSPPs模式的电磁场，并在L3进行传输，传输后SSPPs模式电磁场又经过右边的过渡段转化为准TEM模式的电磁场由右边的微带波导段输出。当电磁场在微带波导段23传播，该段内电磁场的模式为准TEM模式，该模式电磁场被束缚在微带波导段23与金属地3间的介质内；在过渡段22传播时，该段内准TEM模式与SSPPs模式共存，其中准TEM模式电磁场被束缚在过渡段22与金属地3间的介质内，SSPPs模式电磁场被束缚在方槽周围；在L3进行传播时，该段内为SSPPs模式，该模式电磁场被束缚在方槽周围。