本發(fā)明屬于濾波器領(lǐng)域,特別是利用開口環(huán)的低通濾波器。

背景技術(shù)：

在常用的毫米波、太赫茲低通濾波器主要有階躍型高低阻抗低通濾波器和帶隙能結(jié)構(gòu)低通濾波器，在毫米波、太赫茲電路中，因?yàn)椴ㄩL很短造成電路的封閉腔和承載基片的尺寸很小，基本上都在亞毫米量級因此在微帶線/懸置微帶線電路中微帶線的最大寬度有限，使低阻抗線設(shè)計(jì)受到限制，同時(shí)由于最小加工精度的存在，高阻抗線的設(shè)計(jì)也會(huì)受到限制，因此在毫米波、太赫茲頻段采用階躍型高低阻抗低通濾波器設(shè)計(jì)作為濾波電路會(huì)受到諸多限制，且高節(jié)階躍型高低阻抗低通濾波器存在長度太長、阻帶不寬等缺點(diǎn)。帶隙能結(jié)構(gòu)能減小濾波器的尺寸，能適用于更高的頻率，且阻帶抑制有所提高，但其設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且在太赫茲頻段微帶線/懸置微帶線的50歐阻抗線寬度很小，在現(xiàn)有的加工精度下帶隙能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

在微帶線/懸置微帶線電路中，傳輸線型諧振器是在微波頻段最為常用的一類諧振器，其中均勻阻抗諧振器(UIR)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)簡便，廣泛應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)中。開口環(huán)諧振器作為常見的UIR結(jié)構(gòu)常用于微帶/懸置微帶電路的設(shè)計(jì)中用來減小電路尺寸實(shí)現(xiàn)電路小型化。與基于布拉格散射原理的電磁帶隙結(jié)構(gòu)不同，開口環(huán)諧振器(Split ring resonator,SRR)是一類亞波長結(jié)構(gòu)，可用于構(gòu)成左手材料，該材料具有負(fù)群速度、負(fù)折射率、理想成像等，被美國Science雜志列為2003年度全球十大進(jìn)展之一。單個(gè)SRR即可在諧振頻率附近產(chǎn)生陡峭的阻帶,具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸容易控制的優(yōu)點(diǎn)。SRR是一個(gè)一邊開口的金屬環(huán)，它的形狀可以使圓形或者矩形。在通常所見的電路中SRR常被用來設(shè)計(jì)帶通濾波器和帶阻濾波器，在本設(shè)計(jì)中利用傳統(tǒng)的SRR陡峭阻帶并增加其阻帶寬度，通過串并聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)濾波器在高頻段的抑制，從而實(shí)現(xiàn)滿足需求的低通濾波器。

本設(shè)計(jì)將開口環(huán)(SRR)結(jié)構(gòu)引入到低通濾波器設(shè)計(jì)中，并對其改進(jìn)實(shí)現(xiàn)SRR結(jié)構(gòu)的串并聯(lián)最終實(shí)現(xiàn)寬的高頻抑制阻帶，用SRR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的低通濾波器展示了良好的低通濾波特性。由于SRR結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)很少的變量即可控制濾波器的通帶，且所使用的線寬一致且可以調(diào)控，這樣降低了設(shè)計(jì)和加工的難度。與階躍型高低阻抗低通濾波器相比，在相同的阻帶抑制特性下，開口環(huán)低通濾波器能減小50％以上的長度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對背景技術(shù)的不足改進(jìn)設(shè)計(jì)一種利用開口環(huán)的低通濾波器，解決現(xiàn)有技術(shù)中低通濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、尺寸偏大的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種利用開口環(huán)的低通濾波器，包括空氣腔、設(shè)置于空氣腔中的介質(zhì)基板(1)、設(shè)置于介質(zhì)基板上的微帶線；所述微帶線包括：輸入段、中間段、輸出段，所述各段微帶線都為對稱結(jié)構(gòu)，其中輸入段包括：輸入饋電微帶線(2)、與輸入饋電微帶線連接的第一“凹”形支節(jié)(3)，該“凹”形支節(jié)開口方向?yàn)檩敵龆畏较?；所述輸出段微帶線包括：輸出饋電微帶線(8)、與輸出饋電微帶線連接的第二“凹”形支節(jié)(7)，該“凹”形支節(jié)開口方向?yàn)檩斎攵畏较?；所述中間段包括：連接輸入段與輸出段的橫向支節(jié)(5)、該橫向支節(jié)上設(shè)置的兩組“T”形支節(jié)(4、6)，每組包括以該橫向支節(jié)為對稱軸的兩個(gè)“T”形支節(jié)。

進(jìn)一步的，所述中間段中的每個(gè)“T”形支節(jié)靠近濾波器中心的末端長于遠(yuǎn)離濾波器中心的末端。

本發(fā)明相比現(xiàn)用的濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、加工方便。因?yàn)闉V波器的主題全部采用相同寬度的微帶線/懸置微帶線設(shè)計(jì)，且只需調(diào)節(jié)很少的變量(開口環(huán)的長度)，就可以調(diào)節(jié)濾波器截止頻率；相比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，該濾波器的阻帶寬度、阻帶抑制等低通濾波特性更好；該設(shè)計(jì)濾波器尺寸更??；與高低阻抗低通濾波器相比，主體結(jié)構(gòu)尺寸減小50％以上。

附圖說明

圖1本發(fā)明利用開口環(huán)的低通濾波器整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2單開口環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖3單開口環(huán)集總參數(shù)等效電路；

圖4單開口環(huán)兩并聯(lián)枝節(jié)等效電路；

圖5不同h值時(shí),單開口環(huán)傳輸曲線(S21)

圖6改進(jìn)后的雙開口環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖7 l8變化時(shí),雙開口環(huán)傳輸曲線(S21)；

圖8(a)開口環(huán)結(jié)構(gòu)低通濾波器與傳統(tǒng)階躍型高低阻抗低通濾波器電路,(b)仿真曲線對比；

圖9a)U/W波段背靠背探針過渡級聯(lián)開口環(huán)結(jié)構(gòu)濾波結(jié)構(gòu),(b)仿真和測試結(jié)果對比。

圖1中：1.介質(zhì)基板、2.輸入饋電微帶線，3.第一“凹”形支節(jié)，4.第一“T”形支節(jié)組，5.橫向支節(jié)，6.第二“T”形支節(jié)組，7.第二“凹”形支節(jié)，8.輸出饋電微帶線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種利用開口環(huán)的低通濾波器，包括空氣腔、設(shè)置于空氣腔中的介質(zhì)基板(1)、設(shè)置于介質(zhì)基板上的微帶線；所述微帶線包括：輸入段、中間段、輸出段，所述各段微帶線都為對稱結(jié)構(gòu)，其中輸入段包括：輸入饋電微帶線(2)、與輸入饋電微帶線連接的第一“凹”形支節(jié)(3)，該“凹”形支節(jié)開口方向?yàn)檩敵龆畏较颍凰鲚敵龆挝Ь€包括：輸出饋電微帶線(8)、與輸出饋電微帶線連接的第二“凹”形支節(jié)(7)，該“凹”形支節(jié)開口方向?yàn)檩斎攵畏较颍凰鲋虚g段包括：連接輸入段與輸出段的橫向支節(jié)(5)、該橫向支節(jié)上設(shè)置的兩組“T”形支節(jié)(4、6)，每組包括以該橫向支節(jié)為對稱軸的兩個(gè)“T”形支節(jié)。其中濾波器主體采用抽頭饋電形式饋電，并有輸入饋電微帶線(2)和輸出饋電微帶線(8)與外部相連；其中第一“凹”形支節(jié)(3)、第一“T”形支節(jié)組(4)的前半部分、橫向支節(jié)(5)的前半部分構(gòu)成矩形開口環(huán)A和矩形開口環(huán)A1，第一“T”形支節(jié)組(4)的后半部分、第二“T”形支節(jié)組(6)的前半部分、橫向支節(jié)(5)的中間部分、構(gòu)成矩形開口環(huán)B和矩形開口環(huán)B1，第二“T”形支節(jié)組(6)的后半部分、第二“凹”形支節(jié)(7)、橫向支節(jié)(5)的后半部分構(gòu)成矩形開口環(huán)C和矩形開口環(huán)C1；其中開口環(huán)A、A1,B、B1和C、C1分別左右對稱,并共用橫向支節(jié)(5)的不同部分，A、A1和C、C1前后關(guān)于濾波器的中心點(diǎn)對稱；其中一組“T”形支節(jié)組參與組成兩個(gè)矩形開口環(huán)，因此前后相鄰的兩個(gè)矩形開口環(huán)共用同一個(gè)縱向邊，例如矩形開口環(huán)A和矩形開口環(huán)B共用第一“T”形支節(jié)組(4)的縱向邊，這樣的設(shè)計(jì)可以減小濾波器的尺寸；其中前后相鄰的開口環(huán)屬于串聯(lián)連接；其中矩形開口環(huán)B、B1的總體長度要大于矩形開口環(huán)A、A1、C、C1，這樣的設(shè)計(jì)可以增加傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)寬阻帶特性；其中開口環(huán)兩個(gè)左右相鄰的開口環(huán)可以看作一個(gè)大開口環(huán)，例如矩形開口環(huán)A、矩形開口環(huán)A1合起來可以看成一個(gè)大的開口環(huán)；其中矩形開口環(huán)B和矩形開口環(huán)B1組成的大開口環(huán)的有效諧振長度控制著濾波器的截止頻率；其中兩組“T”形支節(jié)(4、6)和兩組“凹”形支節(jié)(3、7)中的每個(gè)彎折支節(jié)可以等效成一個(gè)支節(jié)諧振器，支節(jié)的彎折增加了有效諧振長度；其中橫向支節(jié)(5)構(gòu)成低頻信號的通路；其中矩形開口環(huán)中，開口位于開口側(cè)的中間，開口的左右兩側(cè)的彎折支節(jié)長度相同并通過開口相互關(guān)聯(lián)，每一個(gè)開口可等效成一個(gè)電容，隨著開口大小的增大等效電容變小；其中濾波器主體結(jié)構(gòu)中采用相同的開口大小和中間開口來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對稱性。

一、濾波器分析

(1)單個(gè)開口環(huán)諧振器的研究

開口環(huán)屬于均勻阻抗諧振器，其形狀有很多種比如圓形、方形、三角形以及多邊形，其本質(zhì)都是微帶半波長諧振器或者四分之一波長諧振器的變種。在這里采用矩形(包含方形)開口環(huán)諧振器，單個(gè)開口環(huán)諧振器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。諧振器有寬度相同的微帶線組成，從整體上看開口環(huán)屬于半波長諧振器，其總長度約等于諧振頻率波導(dǎo)波長的一半。該開口環(huán)諧振器開口位于一邊的中心，諧振結(jié)構(gòu)是左右對稱的，當(dāng)采用抽頭式饋電的時(shí)候，會(huì)在開口的兩側(cè)引入兩個(gè)支節(jié)諧振器，支節(jié)諧振器通過開口引入的耦合相互連接。由于在太赫茲頻段電路的尺寸和波長在同一個(gè)量級上，且微帶線的屏蔽腔很小，屏蔽腔對微帶線的傳輸特性的影響無法忽略，因此想要準(zhǔn)確的給出開口環(huán)在太赫茲頻段的集總參數(shù)分析是不切實(shí)際的，因此這里只定性的分析開口環(huán)的特性。

通過對微帶線的等效分析給出開口環(huán)的等效集總參數(shù)電路，通過該電路來分析開口環(huán)的輸出特性，如圖3所示。有圖3可知電容C1代表開口h帶來的電容，L2、C2是右半部分長度l1、l2的等效元件；L3、C3是左半部分l3、l4的等效元件；C4、L4是下半部分的等效元件，且L4應(yīng)當(dāng)有電阻。從電路來看該電路具有二階帶阻特性，C2、L2和C3、L3分別構(gòu)成一個(gè)諧振器控制著電路的一個(gè)傳輸零點(diǎn)。因?yàn)殡娐穼ΨQ，電路中的兩個(gè)諧振電路的諧振頻率相等，因此電路只有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，是一個(gè)帶阻特性的電路。通過分析也可以把圖2中的l1+l2和l3+l4分別看成一個(gè)微帶諧振器兩個(gè)諧振器并聯(lián)在電路上，并通過C1有所關(guān)聯(lián)，形成電路中的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)。單開口環(huán)諧振器也可以等效為兩個(gè)并聯(lián)枝節(jié)其等效電路如圖4所示。圖4中電容C1’為兩個(gè)并聯(lián)枝節(jié)的耦合電容，l5≈l1+l2,l6≈l3+l4。枝節(jié)l5和l6分別對應(yīng)圖3中的兩個(gè)諧振支節(jié)，控制著電路的零點(diǎn)。

為了驗(yàn)證對單開口環(huán)的分析，在仿真軟件HFSS中以Rogers RT/duroid 5880為介質(zhì)基片建立圖三維仿真模型，空氣腔的寬度為0.7mm、高度為0.6mm。在仿真軟件中置仿真頻率為1～200GHz，可得不同h值時(shí)單開口環(huán)傳輸曲線(S21)，如圖5所示。

由圖5可知隨著h的增大電容C1的值會(huì)減小而使傳輸零點(diǎn)的位置向上偏移。同樣因耦合的減弱使兩個(gè)零點(diǎn)的矩形系數(shù)都變差了。

(2)改進(jìn)型雙開口環(huán)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)低通濾波器的思路是串并聯(lián)多個(gè)帶阻單元來實(shí)現(xiàn)很寬的高頻阻帶從而成為滿足需求的低通濾波器，即增加傳輸零點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及寬度。因此需要對單個(gè)開口環(huán)經(jīng)行改進(jìn)，盡量增加其帶寬和傳輸零點(diǎn)?？紤]在單開口環(huán)中間增加一個(gè)橫向枝節(jié)、上下兩側(cè)都做開口構(gòu)成對稱形式如圖6所示。在圖6中存在三個(gè)開口環(huán)，原開口單元環(huán)和兩個(gè)有橫向支節(jié)引出的兩個(gè)并聯(lián)的小開口環(huán)，其中兩個(gè)小開口環(huán)的傳輸零點(diǎn)一致。從諧振支節(jié)上分析可知該結(jié)構(gòu)有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，大開口環(huán)結(jié)構(gòu)控制低頻傳輸零點(diǎn)位置，高頻傳輸零點(diǎn)位置由兩個(gè)小開口環(huán)控制。由于兩個(gè)并聯(lián)諧振器的傳輸零點(diǎn)是一樣的可以起到增加零點(diǎn)帶寬的作用，所以傳輸曲線的高頻矩形系數(shù)要更好。當(dāng)l8增加時(shí)兩個(gè)傳輸零點(diǎn)都會(huì)下移。

通過仿真可以得到雙開口環(huán)的傳輸特性曲線如圖7所示。改變l8的值可看到輸出曲線變化趨勢。有圖7可以看出每個(gè)傳輸曲線存在兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，高頻端的變化速度要比低頻段快，矩形系數(shù)比較好，且隨著l8增大阻帶區(qū)域下移，與上述分析一致。

(3)濾波器結(jié)構(gòu)

在對單個(gè)開口環(huán)經(jīng)行改進(jìn)以后，根據(jù)串聯(lián)的思路，采用三個(gè)改進(jìn)型的開口環(huán)組成濾波器主體結(jié)構(gòu)并使相鄰的開口環(huán)共用一個(gè)邊，其結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。采用開口環(huán)的低通濾波器具有良好的帶外抑制特性和很寬的阻帶帶寬。若改用傳統(tǒng)的高低阻抗濾波器，在同樣最高微帶特性阻抗尺寸下，須采用更高的階數(shù)和更長的長度才能達(dá)到相同的帶外抑制度。與傳統(tǒng)的階躍型高低阻抗低通濾波器相比，改進(jìn)開口環(huán)結(jié)構(gòu)低通濾波器可大幅度縮減電路長度，有圖8(b)中的對比可知開口環(huán)低通濾波器能減小50％以上的長度。。由圖8(b)中的仿真結(jié)果可以看出濾波器有大于40dB以上的阻帶抑制，且有很寬的阻帶寬度。

為了驗(yàn)證改進(jìn)開口環(huán)結(jié)構(gòu)濾波器通帶和阻帶的頻率響應(yīng)特性，級聯(lián)背靠背U/W波段探針過渡的濾波器結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)、制作及測試。連接背靠背雙探針過渡的濾波器結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示，測試結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖9(b)所示。由圖9(b)可以看出在U波段和W波段濾波器的測試曲線和仿真曲線的一致度很高。測試結(jié)果表明在U波段濾波器的插入損耗在0.5-0.7dB之間，在100GHz處的阻帶抑制為31.7dB。