一種基於電磁感應透明的波導濾波器的製造方法

2023-05-18 02:38:51

一種基於電磁感應透明的波導濾波器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於電磁感應透明的波導濾波器，其結構包括構成標準矩形波導的上腔體、下腔體、插入到標準矩形波導上腔體和下腔體之間的介質基板、信號輸入埠和信號輸出埠，介質基板正面的金屬微帶結構有矩形金屬環、帶外抑制片、兩排金屬化通孔和接地外延帶，介質基板背面的金屬微帶結構有兩個對稱C形諧振結構以及接地外延帶。位於介質基板正面的矩形金屬環和位於介質基板背面的兩個對稱C形諧振結構相互作用產生電感應透明窗和磁感應透明窗的兩個通帶，即形成電磁感應透明效應，利用該效應實現的波導濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個傳輸零點，具有較高的選擇性，而且結構緊湊易於設計。
【專利說明】一種基於電磁感應透明的波導濾波器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微波毫米波濾波器設計技術，尤其涉及一種波導型濾波器設計的新方法。

【背景技術】
[0002]波導濾波器由於其損耗小，功率容量大等優點在很多微波、毫米波系統中得到了廣泛的應用。有多種實現技術，例如直接耦合諧振腔，消逝模波導濾波器，多模波導濾波器以及E面波導濾波器等。其中直接耦合諧振腔設計方法，雖然設計靈活，且矩形係數好，損耗小，但是其加工較複雜，成本高，不易進行大批量生產。而E面波導濾波器加工簡單、成本低、適用於大批量生產，設計較靈活，但是傳統的E面波導濾波器為了得到優良的濾波器性能必須進行多級兩聯，這不可以避免的造成濾波器的整體尺寸較大。當然研究學者們也做了必要的改進研究，其中有E面雙膜片的插入(見F.Arndt, J.Bornemann, R.Vahldieckj et al.E-plane Integrated Circuit Filters with Improved StopbandAttenuat1n (short Papers)[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transact1nson, 1984，32(10)，1391-1394.)雖然改善了其濾波器的阻帶特性，但這種其仍需要進行多級級聯，體積仍然相對較大。另外，雖然國內的研究進展相對落後一些，但仍有一些新研究成果，2009年吳衛濤、梁昌洪、翟博韜和溫海賓對加載周期性脊波導的E面濾波器(見吳衛濤，梁昌洪，翟博韜，等.加載周期性脊波導的E面濾波器[C]，2009年全國微波毫米波會議，2009，51-52.)進行了研究，該濾波器基於E面膜片波導濾波器，提出了一種具有高選擇性的濾波器實現方案，將插有E面膜片的波導和脊波導組合在一起，在E面膜片濾波器的半波諧振器中間嵌入周期性的脊波導結構。該E面波導濾波器克服了傳統濾波器的缺點，具有帶外衰減快、尺寸較傳統的E面波導濾波器小的特點，當然我們也看到在其設計過程中不可避免的進行了多級級聯。
[0003]在E面波導濾波器的設計中，不可避免的需要進行多級級聯從而造成體積增大，因此有必要研究並設計一種新型的波導濾波器，使其採用較小的結構尺寸實現較好的濾波性能。
[0004]而電磁感應透明EIT(Electromagnetically induced transparency)效應是量子學方面的一個重要研究點，通常傳輸媒質因電磁感應透明效應特性而產生的一個信號可傳輸通帶很窄。很多基於EIT效應的應用表現在量子學領域。近年來，有學者研究可以採用集總電路元件，開口諧振環等非量子學的結構實現EIT效應(見郭曉瑩，楊靖，李建，等.RLC電路中類電磁感應透明現象的實驗研究[J].山西大學學報(自然科學版)，2012(1):68-74。)。
[0005]由於EIT效應可以產生一個透明通帶的特性，因此可以想像採用這種電磁感應透明EIT效應是可以設計帶通濾波器的。因此，本實用新型將採用EIT效應設計一種新型的E面波導濾波器，其具有高矩形係數，損耗小，結構緊湊，設計靈活等優點。這種將在這種量子學領域的電磁感應透明(EIT)效應有效的應用於毫米波頻段波導濾波器設計中，將豐富濾波器設計理念，增加新理論，將為濾波器等器件設計提供一定的理論基礎，具有理論與實踐指導意義。
實用新型內容
[0006]為了改善E面波導濾波器的性能，在已有的研究設計中都進行了多級級聯，不可避免造成了體積相對較大的缺陷，因此有必要發明一種新型的E面波導濾波器，使其克服對級聯的需求，採用較小的結構尺寸實現較好的濾波性能。
[0007]為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是:
[0008]一種基於電磁感應透明的波導濾波器，包括構成標準矩形波導的上腔體(I)、下腔體、插入到標準矩形波導上腔體和下腔體之間的介質基板、信號輸入埠和信號輸出埠 ；所述介質基板正面的金屬微帶結構有矩形金屬環、帶外抑制片、兩排金屬化通孔和接地外延帶，介質基板背面的金屬微帶結構有兩個對稱C形諧振結構以及接地外延帶；
[0009]通過調節矩形金屬環和兩個對稱C形諧振結構的結構尺寸，使其在某一頻帶內產生強的相互作用進而生成電感應透明窗和磁感應透明窗的兩個通帶窗口，即形成電磁感應透明效應；利用該效應實現的波導濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個傳輸零點。其具體設計為，合理設計矩形金屬環和兩個對稱C形諧振結構的尺寸大小，使得調節電感應透明窗和磁感應透明窗的兩個通帶的位置，使兩個透明通帶接近並交疊，從而形成具有優良性能的帶通濾波特性，實現基於EIT概念的波導濾波器，由於電磁感應透明窗是由電諧振和磁諧振產生的，因此在濾波器透明通帶的上下邊帶各引入了一個傳輸零點，有效的提高了波導濾波器的矩形係數；
[0010]信號輸入埠和輸出埠直接由標準矩形波導構成，信號不需要經過任何金屬微帶結構過渡直接由輸入埠作用到介質基板正反面的金屬微帶結構上，然後由輸出埠輸出；介質基板背面的兩個對稱C形諧振結構，其C型的上下臂長可以從0_開始變化，從而可以靈活的調節並設計電感應透明通帶和磁感應透明通帶的位置；
[0011]介質基板正面的具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片經由基板外延帶與波導的上下波導壁直接相連接，其寬度取值可以為Omm ;位於介質基板反面的接地外延帶與介質基板正面的接地外延帶結構尺寸相同，並通過兩排金屬化通孔相連。在設計中應注意，當矩形金屬環的佔空比較小時可以合理設計帶外抑制片，可改善其該電磁感應透明的波導濾波器的阻帶抑制性能，而當矩形金屬環的佔空比較大時，該結構將會很小，其改善的性能受限，因此為設計簡單可以去掉該結構，也即寬度變為了 O。
[0012]本實用新型採用了在具有低損耗的標準金屬矩形波導，由上下腔體和構成，在其E面插入介質基板，介質基板正面的矩形金屬環結構產生一個被稱低Q模的本徵模，該模式由矩形金屬環與外部輸入場的耦合效應產生，產生較強烈的吸收，即在標準矩形波導可內產生一個較寬的阻帶，在相同的諧振頻點上，矩形金屬環的高度越大時品質因數越低，因此在本實用新型設計中應選擇阻帶的品質因數較低為好。介質基板背面的兩個對稱C形諧振結構結合介質基板正面的矩形金屬環相互作用，在有輸入場的情況下產生了電諧振和磁諧振，它們分別對應具有較高的品質因數的電感應透明通帶和磁感應透明通帶，即電磁感應透明效應，另外，由於電磁感應透明通帶的本質是電磁諧振的作用，因此根據電磁諧振的理論，就會有在電感應透明通帶的下邊帶和磁感應透明通帶的上邊帶各出現一個零點的特性，這兩個零點對設計具有高矩形係數的波導濾波器有著很重要的影響。合理設計矩形金屬環和兩個對稱C形諧振結構，其中兩個對稱C形諧振結構上下臂長的L的值可以是從O開始變化的，我們就可以得到符合要求的帶通EIT波導濾波器。另外在設計中，我們要特別注意，使電感應透明通帶位於磁感應透明通帶的下邊帶，並且調節結構尺寸，可以使得兩個原本分開的電磁感應透明通帶接近並交疊成一個具有更寬頻帶的電磁感應透明通帶。最後，具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片，在設計中可以靈活應用，當矩形金屬環的佔空比較小時可以合理設計帶外抑制片，可改善其該電磁感應透明的波導濾波器的阻帶抑制性能，而當矩形金屬環的佔空比較大時，該結構將會很小，其改善的性能受限，因此為設計簡單可以去掉該結構，也即寬度變為了 O。
[0013]本實用新型的優點和有益效果:
[0014](I)本實用新型採用電磁感應透明(EIT)概念設計的波導濾波器設計，具有高矩形係數、小型化等優良性能。
[0015](2)本實用新型採用矩形環、帶外抑制金屬片及兩個對稱C形諧振結構，其結構簡單，設計靈活方便，且易於設計。
[0016](3)本實用新型採用的與波導壁直接相連接的帶外抑制片具有一定的帶外抑制優化作用，且設計靈活。
[0017](4)相對於傳統的波導濾波器設計方法，本實用新型採用新的設計理念，將EIT效應成功用于波導濾波器的設計中，實現性能優良的波導濾波器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結合附圖及【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0019]圖1是本實用新型提供的基於電磁感應透明波導濾波器的結構三維示意圖。
[0020]圖2是本實用新型提供的基於電磁感應透明的波導濾波器的基板正面結構示意圖。
[0021]圖3是本實用新型提供的基於電磁感應透明的波導濾波器的基板背面結構示意圖。
[0022]圖4是本實用新型提供的基於電磁感應透明的波導濾波器實例的仿真及測試結果對比圖。

【具體實施方式】
[0023]如圖1、圖2、圖3所示，一種基於電磁感應透明的波導濾波器，包括構成標準矩形波導的上腔體1、下腔體2、插入到標準矩形波導上腔體I和下腔體2之間的介質基板3、信號輸入埠 4和信號輸出埠 5 ;所述介質基板3正面的金屬微帶結構有矩形金屬環31、帶外抑制片32、兩排金屬化通孔33和接地外延帶34，介質基板3背面的金屬微帶結構有兩個對稱C形諧振結構35以及接地外延帶36 ；
[0024]介質基板3正面的矩形金屬環31和位於介質基板3背面的兩個對稱C形諧振結構35相互作用產生電諧振透明窗和磁諧振透明窗的兩個通帶，從而形成電磁感應透明效應；利用該效應實現的波導濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個傳輸零點；
[0025]通過調節矩形金屬環31和兩個對稱C形諧振結構35的結構尺寸，使其在某一頻帶內產生強的相互作用進而生成電感應透明窗和磁感應透明窗的兩個通帶窗口，即形成電磁感應透明效應；利用該效應實現的波導濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個傳輸零點。
[0026]信號輸入埠 4和輸出埠 5直接由標準矩形波導構成，信號不需要經過任何金屬微帶結構過渡直接由輸入埠 4作用到介質基板3正反面的金屬微帶結構上，然後由輸出埠 5輸出；介質基板3背面的兩個對稱C形諧振結構35，其C型的上下臂長可以從Omm開始變化；
[0027]介質基板3正面的具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片32經由基板外延帶34與波導的上下波導壁直接相連接，其寬度取值可以為Omm;位於介質基板3反面的接地外延帶36與介質基板3正面的接地外延帶34結構尺寸相同，並通過兩排金屬化通孔33相連。
[0028]作為一個實例，一種基於電磁感應透明的波導濾波器被設計、加工、實驗。標準矩形波導為工作於Ka波段的WR-28(7.112mm*3.556mm),仿真設計中選用的介質基板為Rogers RT/duroid5880其介電常數為2.2，厚度0.254mm,損耗角正切為0.0009，其中介質基板上的電路結構尺寸分別為，矩形金屬環31的高度為3mm，寬度為2mm，基板背面的對稱C形諧振結構35的高度為3mm，且對稱C形諧振結構35的外邊緣間距為2mm，L的值和帶外抑制片的寬度為Omm,所有金屬條帶的寬度為0.2_。測試結果表明,採用電磁感應透明(EIT)效應設計的新型波導濾波器，具有較高的矩形係數，損耗低，帶外抑制優良，且加工成本低，易於大批量生產，且該中波導濾波器設計靈活方便。另外，仿真和實測中的誤差主要是由於實驗中所採用的基板介電常數在Ka波段並不是恆定不變的2.2的一個常數，其值實際小於2.2，另外由於加工精度，實際操作等因素，造成了測試結果頻率向高頻偏移。
【權利要求】
1.一種基於電磁感應透明的波導濾波器，包括構成標準矩形波導的上腔體(I)、下腔體(2)、插入到標準矩形波導上腔體(I)和下腔體(2)之間的介質基板(3)、信號輸入埠(4)和信號輸出埠(5);其特徵在於:所述介質基板(3)正面的金屬微帶結構有矩形金屬環(31)、帶外抑制片(32)、兩排金屬化通孔(33)和接地外延帶(34)，介質基板(3)背面的金屬微帶結構有兩個對稱C形諧振結構(35)以及接地外延帶(36)。
2.根據權利要求1所論述的一種基於電磁感應透明的波導濾波器，其特徵在於:通過調節矩形金屬環(31)和兩個對稱C形諧振結構(35)的結構尺寸，使其在某一頻帶內產生強的相互作用進而生成電感應透明窗和磁感應透明窗的兩個通帶窗口，即形成電磁感應透明效應；利用該效應實現的波導濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個傳輸零點。
3.根據權利要求1所論述的一種基於電磁感應透明的波導濾波器，其特徵在於:所述信號輸入埠(4)和輸出埠(5)直接由標準矩形波導構成，信號不需要經過任何金屬微帶結構過渡直接由輸入埠(4)作用到介質基板(3)正反面的金屬微帶結構上，然後由輸出埠(5)輸出；介質基板(3)背面的兩個對稱C形諧振結構(35)，其C型的上下臂長可以從Omm開始變化。
4.根據權利要求1所論述的一種基於電磁感應透明的波導濾波器，其特徵在於:位於介質基板(3)正面的具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片(32)經由基板外延帶(34)與波導的上下波導壁直接相連接，其寬度取值可以為Omm;位於介質基板(3)反面的接地外延帶(36)與介質基板(3)正面的接地外延帶(34)結構尺寸相同，並通過兩排金屬化通孔(33)相連。
【文檔編號】H01P1/207GK203839491SQ201420198098
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】林先其, 靳俊葉, 於家偉, 江源, 張瑾, 樊勇 申請人:電子科技大學