一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，其結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的上腔體、下腔體、插入到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)上腔體和下腔體之間的介質(zhì)基板、信號(hào)輸入端口和信號(hào)輸出端口，介質(zhì)基板正面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有矩形金屬環(huán)、帶外抑制片、兩排金屬化通孔和接地外延帶，介質(zhì)基板背面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)以及接地外延帶。位于介質(zhì)基板正面的矩形金屬環(huán)和位于介質(zhì)基板背面的兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生電感應(yīng)透明窗和磁感應(yīng)透明窗的兩個(gè)通帶，即形成電磁感應(yīng)透明效應(yīng)，利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，具有較高的選擇性，而且結(jié)構(gòu)緊湊易于設(shè)計(jì)。
【專利說明】一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及微波毫米波濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)，尤其涉及一種波導(dǎo)型濾波器設(shè)計(jì)的新方法。

【背景技術(shù)】
[0002]波導(dǎo)濾波器由于其損耗小，功率容量大等優(yōu)點(diǎn)在很多微波、毫米波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。有多種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，例如直接耦合諧振腔，消逝模波導(dǎo)濾波器，多模波導(dǎo)濾波器以及E面波導(dǎo)濾波器等。其中直接耦合諧振腔設(shè)計(jì)方法，雖然設(shè)計(jì)靈活，且矩形系數(shù)好，損耗小，但是其加工較復(fù)雜，成本高，不易進(jìn)行大批量生產(chǎn)。而E面波導(dǎo)濾波器加工簡(jiǎn)單、成本低、適用于大批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)較靈活，但是傳統(tǒng)的E面波導(dǎo)濾波器為了得到優(yōu)良的濾波器性能必須進(jìn)行多級(jí)兩聯(lián)，這不可以避免的造成濾波器的整體尺寸較大。當(dāng)然研究學(xué)者們也做了必要的改進(jìn)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(jìn)行多級(jí)級(jí)聯(lián)，體積仍然相對(duì)較大。另外，雖然國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展相對(duì)落后一些，但仍有一些新研究成果，2009年吳衛(wèi)濤、梁昌洪、翟博韜和溫海賓對(duì)加載周期性脊波導(dǎo)的E面濾波器(見吳衛(wèi)濤，梁昌洪，翟博韜，等.加載周期性脊波導(dǎo)的E面濾波器[C]，2009年全國(guó)微波毫米波會(huì)議，2009，51-52.)進(jìn)行了研究，該濾波器基于E面膜片波導(dǎo)濾波器，提出了一種具有高選擇性的濾波器實(shí)現(xiàn)方案，將插有E面膜片的波導(dǎo)和脊波導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)。該E面波導(dǎo)濾波器克服了傳統(tǒng)濾波器的缺點(diǎn)，具有帶外衰減快、尺寸較傳統(tǒng)的E面波導(dǎo)濾波器小的特點(diǎn)，當(dāng)然我們也看到在其設(shè)計(jì)過程中不可避免的進(jìn)行了多級(jí)級(jí)聯(lián)。
[0003]在E面波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)中，不可避免的需要進(jìn)行多級(jí)級(jí)聯(lián)從而造成體積增大，因此有必要研究并設(shè)計(jì)一種新型的波導(dǎo)濾波器，使其采用較小的結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)較好的濾波性能。
[0004]而電磁感應(yīng)透明EIT(Electromagnetically induced transparency)效應(yīng)是量子學(xué)方面的一個(gè)重要研究點(diǎn)，通常傳輸媒質(zhì)因電磁感應(yīng)透明效應(yīng)特性而產(chǎn)生的一個(gè)信號(hào)可傳輸通帶很窄。很多基于EIT效應(yīng)的應(yīng)用表現(xiàn)在量子學(xué)領(lǐng)域。近年來，有學(xué)者研究可以采用集總電路元件，開口諧振環(huán)等非量子學(xué)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)EIT效應(yīng)(見郭曉瑩，楊靖，李建，等.RLC電路中類電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(1):68-74。)。
[0005]由于EIT效應(yīng)可以產(chǎn)生一個(gè)透明通帶的特性，因此可以想象采用這種電磁感應(yīng)透明EIT效應(yīng)是可以設(shè)計(jì)帶通濾波器的。因此，本實(shí)用新型將采用EIT效應(yīng)設(shè)計(jì)一種新型的E面波導(dǎo)濾波器，其具有高矩形系數(shù)，損耗小，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。這種將在這種量子學(xué)領(lǐng)域的電磁感應(yīng)透明(EIT)效應(yīng)有效的應(yīng)用于毫米波頻段波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)中，將豐富濾波器設(shè)計(jì)理念，增加新理論，將為濾波器等器件設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)，具有理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]為了改善E面波導(dǎo)濾波器的性能，在已有的研究設(shè)計(jì)中都進(jìn)行了多級(jí)級(jí)聯(lián)，不可避免造成了體積相對(duì)較大的缺陷，因此有必要發(fā)明一種新型的E面波導(dǎo)濾波器，使其克服對(duì)級(jí)聯(lián)的需求，采用較小的結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)較好的濾波性能。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，包括構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的上腔體(I)、下腔體、插入到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)上腔體和下腔體之間的介質(zhì)基板、信號(hào)輸入端口和信號(hào)輸出端口 ；所述介質(zhì)基板正面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有矩形金屬環(huán)、帶外抑制片、兩排金屬化通孔和接地外延帶，介質(zhì)基板背面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)以及接地外延帶；
[0009]通過調(diào)節(jié)矩形金屬環(huán)和兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，使其在某一頻帶內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用進(jìn)而生成電感應(yīng)透明窗和磁感應(yīng)透明窗的兩個(gè)通帶窗口，即形成電磁感應(yīng)透明效應(yīng)；利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)。其具體設(shè)計(jì)為，合理設(shè)計(jì)矩形金屬環(huán)和兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)的尺寸大小，使得調(diào)節(jié)電感應(yīng)透明窗和磁感應(yīng)透明窗的兩個(gè)通帶的位置，使兩個(gè)透明通帶接近并交疊，從而形成具有優(yōu)良性能的帶通濾波特性，實(shí)現(xiàn)基于EIT概念的波導(dǎo)濾波器，由于電磁感應(yīng)透明窗是由電諧振和磁諧振產(chǎn)生的，因此在濾波器透明通帶的上下邊帶各引入了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，有效的提高了波導(dǎo)濾波器的矩形系數(shù)；
[0010]信號(hào)輸入端口和輸出端口直接由標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)構(gòu)成，信號(hào)不需要經(jīng)過任何金屬微帶結(jié)構(gòu)過渡直接由輸入端口作用到介質(zhì)基板正反面的金屬微帶結(jié)構(gòu)上，然后由輸出端口輸出；介質(zhì)基板背面的兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)，其C型的上下臂長(zhǎng)可以從0_開始變化，從而可以靈活的調(diào)節(jié)并設(shè)計(jì)電感應(yīng)透明通帶和磁感應(yīng)透明通帶的位置；
[0011]介質(zhì)基板正面的具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片經(jīng)由基板外延帶與波導(dǎo)的上下波導(dǎo)壁直接相連接，其寬度取值可以為Omm ;位于介質(zhì)基板反面的接地外延帶與介質(zhì)基板正面的接地外延帶結(jié)構(gòu)尺寸相同，并通過兩排金屬化通孔相連。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意，當(dāng)矩形金屬環(huán)的占空比較小時(shí)可以合理設(shè)計(jì)帶外抑制片，可改善其該電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器的阻帶抑制性能，而當(dāng)矩形金屬環(huán)的占空比較大時(shí)，該結(jié)構(gòu)將會(huì)很小，其改善的性能受限，因此為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可以去掉該結(jié)構(gòu)，也即寬度變?yōu)榱?O。
[0012]本實(shí)用新型采用了在具有低損耗的標(biāo)準(zhǔn)金屬矩形波導(dǎo)，由上下腔體和構(gòu)成，在其E面插入介質(zhì)基板，介質(zhì)基板正面的矩形金屬環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)被稱低Q模的本征模，該模式由矩形金屬環(huán)與外部輸入場(chǎng)的耦合效應(yīng)產(chǎn)生，產(chǎn)生較強(qiáng)烈的吸收，即在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)可內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較寬的阻帶，在相同的諧振頻點(diǎn)上，矩形金屬環(huán)的高度越大時(shí)品質(zhì)因數(shù)越低，因此在本實(shí)用新型設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇阻帶的品質(zhì)因數(shù)較低為好。介質(zhì)基板背面的兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)結(jié)合介質(zhì)基板正面的矩形金屬環(huán)相互作用，在有輸入場(chǎng)的情況下產(chǎn)生了電諧振和磁諧振，它們分別對(duì)應(yīng)具有較高的品質(zhì)因數(shù)的電感應(yīng)透明通帶和磁感應(yīng)透明通帶，即電磁感應(yīng)透明效應(yīng)，另外，由于電磁感應(yīng)透明通帶的本質(zhì)是電磁諧振的作用，因此根據(jù)電磁諧振的理論，就會(huì)有在電感應(yīng)透明通帶的下邊帶和磁感應(yīng)透明通帶的上邊帶各出現(xiàn)一個(gè)零點(diǎn)的特性，這兩個(gè)零點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)具有高矩形系數(shù)的波導(dǎo)濾波器有著很重要的影響。合理設(shè)計(jì)矩形金屬環(huán)和兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)上下臂長(zhǎng)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(dǎo)濾波器。另外在設(shè)計(jì)中，我們要特別注意，使電感應(yīng)透明通帶位于磁感應(yīng)透明通帶的下邊帶，并且調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，可以使得兩個(gè)原本分開的電磁感應(yīng)透明通帶接近并交疊成一個(gè)具有更寬頻帶的電磁感應(yīng)透明通帶。最后，具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片，在設(shè)計(jì)中可以靈活應(yīng)用，當(dāng)矩形金屬環(huán)的占空比較小時(shí)可以合理設(shè)計(jì)帶外抑制片，可改善其該電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器的阻帶抑制性能，而當(dāng)矩形金屬環(huán)的占空比較大時(shí)，該結(jié)構(gòu)將會(huì)很小，其改善的性能受限，因此為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可以去掉該結(jié)構(gòu)，也即寬度變?yōu)榱?O。
[0013]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0014](I)本實(shí)用新型采用電磁感應(yīng)透明(EIT)概念設(shè)計(jì)的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)，具有高矩形系數(shù)、小型化等優(yōu)良性能。
[0015](2)本實(shí)用新型采用矩形環(huán)、帶外抑制金屬片及兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活方便，且易于設(shè)計(jì)。
[0016](3)本實(shí)用新型采用的與波導(dǎo)壁直接相連接的帶外抑制片具有一定的帶外抑制優(yōu)化作用，且設(shè)計(jì)靈活。
[0017](4)相對(duì)于傳統(tǒng)的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)方法，本實(shí)用新型采用新的設(shè)計(jì)理念，將EIT效應(yīng)成功用于波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的波導(dǎo)濾波器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019]圖1是本實(shí)用新型提供的基于電磁感應(yīng)透明波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)三維示意圖。
[0020]圖2是本實(shí)用新型提供的基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器的基板正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本實(shí)用新型提供的基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器的基板背面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本實(shí)用新型提供的基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器實(shí)例的仿真及測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1、圖2、圖3所示，一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，包括構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的上腔體1、下腔體2、插入到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)上腔體I和下腔體2之間的介質(zhì)基板3、信號(hào)輸入端口 4和信號(hào)輸出端口 5 ;所述介質(zhì)基板3正面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有矩形金屬環(huán)31、帶外抑制片32、兩排金屬化通孔33和接地外延帶34，介質(zhì)基板3背面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)35以及接地外延帶36 ；
[0024]介質(zhì)基板3正面的矩形金屬環(huán)31和位于介質(zhì)基板3背面的兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)35相互作用產(chǎn)生電諧振透明窗和磁諧振透明窗的兩個(gè)通帶，從而形成電磁感應(yīng)透明效應(yīng)；利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)；
[0025]通過調(diào)節(jié)矩形金屬環(huán)31和兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)35的結(jié)構(gòu)尺寸，使其在某一頻帶內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用進(jìn)而生成電感應(yīng)透明窗和磁感應(yīng)透明窗的兩個(gè)通帶窗口，即形成電磁感應(yīng)透明效應(yīng)；利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)。
[0026]信號(hào)輸入端口 4和輸出端口 5直接由標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)構(gòu)成，信號(hào)不需要經(jīng)過任何金屬微帶結(jié)構(gòu)過渡直接由輸入端口 4作用到介質(zhì)基板3正反面的金屬微帶結(jié)構(gòu)上，然后由輸出端口 5輸出；介質(zhì)基板3背面的兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)35，其C型的上下臂長(zhǎng)可以從Omm開始變化；
[0027]介質(zhì)基板3正面的具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片32經(jīng)由基板外延帶34與波導(dǎo)的上下波導(dǎo)壁直接相連接，其寬度取值可以為Omm;位于介質(zhì)基板3反面的接地外延帶36與介質(zhì)基板3正面的接地外延帶34結(jié)構(gòu)尺寸相同，并通過兩排金屬化通孔33相連。
[0028]作為一個(gè)實(shí)例，一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器被設(shè)計(jì)、加工、實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)為工作于Ka波段的WR-28(7.112mm*3.556mm),仿真設(shè)計(jì)中選用的介質(zhì)基板為Rogers RT/duroid5880其介電常數(shù)為2.2，厚度0.254mm,損耗角正切為0.0009，其中介質(zhì)基板上的電路結(jié)構(gòu)尺寸分別為，矩形金屬環(huán)31的高度為3mm，寬度為2mm，基板背面的對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)35的高度為3mm，且對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)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(cè)試結(jié)果表明,采用電磁感應(yīng)透明(EIT)效應(yīng)設(shè)計(jì)的新型波導(dǎo)濾波器，具有較高的矩形系數(shù)，損耗低，帶外抑制優(yōu)良，且加工成本低，易于大批量生產(chǎn)，且該中波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)靈活方便。另外，仿真和實(shí)測(cè)中的誤差主要是由于實(shí)驗(yàn)中所采用的基板介電常數(shù)在Ka波段并不是恒定不變的2.2的一個(gè)常數(shù)，其值實(shí)際小于2.2，另外由于加工精度，實(shí)際操作等因素，造成了測(cè)試結(jié)果頻率向高頻偏移。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，包括構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的上腔體(I)、下腔體(2)、插入到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)上腔體(I)和下腔體(2)之間的介質(zhì)基板(3)、信號(hào)輸入端口(4)和信號(hào)輸出端口(5);其特征在于:所述介質(zhì)基板(3)正面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有矩形金屬環(huán)(31)、帶外抑制片(32)、兩排金屬化通孔(33)和接地外延帶(34)，介質(zhì)基板(3)背面的金屬微帶結(jié)構(gòu)有兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)(35)以及接地外延帶(36)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所論述的一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，其特征在于:通過調(diào)節(jié)矩形金屬環(huán)(31)和兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)(35)的結(jié)構(gòu)尺寸，使其在某一頻帶內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用進(jìn)而生成電感應(yīng)透明窗和磁感應(yīng)透明窗的兩個(gè)通帶窗口，即形成電磁感應(yīng)透明效應(yīng)；利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)濾波器，其通帶的上下邊帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所論述的一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，其特征在于:所述信號(hào)輸入端口(4)和輸出端口(5)直接由標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)構(gòu)成，信號(hào)不需要經(jīng)過任何金屬微帶結(jié)構(gòu)過渡直接由輸入端口(4)作用到介質(zhì)基板(3)正反面的金屬微帶結(jié)構(gòu)上，然后由輸出端口(5)輸出；介質(zhì)基板(3)背面的兩個(gè)對(duì)稱C形諧振結(jié)構(gòu)(35)，其C型的上下臂長(zhǎng)可以從Omm開始變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所論述的一種基于電磁感應(yīng)透明的波導(dǎo)濾波器，其特征在于:位于介質(zhì)基板(3)正面的具有一定帶外抑制作用的帶外抑制片(32)經(jīng)由基板外延帶(34)與波導(dǎo)的上下波導(dǎo)壁直接相連接，其寬度取值可以為Omm;位于介質(zhì)基板(3)反面的接地外延帶(36)與介質(zhì)基板(3)正面的接地外延帶(34)結(jié)構(gòu)尺寸相同，并通過兩排金屬化通孔(33)相連。
【文檔編號(hào)】H01P1/207GK203839491SQ201420198098
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】林先其, 靳俊葉, 于家偉, 江源, 張瑾, 樊勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)