本發(fā)明屬于濾波器領域,特別是利用開口環(huán)的低通濾波器。

背景技術：

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構低通濾波器，在毫米波、太赫茲電路中，因為波長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，使低阻抗線設計受到限制，同時由于最小加工精度的存在，高阻抗線的設計也會受到限制，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計作為濾波電路會受到諸多限制，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。帶隙能結構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，但其設計比較復雜，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構實現(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)結構簡單、設計簡便，廣泛應用于濾波器設計中。開口環(huán)諧振器作為常見的UIR結構常用于微帶/懸置微帶電路的設計中用來減小電路尺寸實現(xiàn)電路小型化。與基于布拉格散射原理的電磁帶隙結構不同，開口環(huán)諧振器(Split ring resonator,SRR)是一類亞波長結構，可用于構成左手材料，該材料具有負群速度、負折射率、理想成像等，被美國Science雜志列為2003年度全球十大進展之一。單個SRR即可在諧振頻率附近產(chǎn)生陡峭的阻帶,具有結構簡單、尺寸容易控制的優(yōu)點。SRR是一個一邊開口的金屬環(huán)，它的形狀可以使圓形或者矩形。在通常所見的電路中SRR常被用來設計帶通濾波器和帶阻濾波器，在本設計中利用傳統(tǒng)的SRR陡峭阻帶并增加其阻帶寬度，通過串并聯(lián)的形式實現(xiàn)濾波器在高頻段的抑制，從而實現(xiàn)滿足需求的低通濾波器。

本設計將開口環(huán)(SRR)結構引入到低通濾波器設計中，并對其改進實現(xiàn)SRR結構的串并聯(lián)最終實現(xiàn)寬的高頻抑制阻帶，用SRR結構實現(xiàn)的低通濾波器展示了良好的低通濾波特性。由于SRR結構通過調節(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控，這樣降低了設計和加工的難度。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。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對背景技術的不足改進設計一種利用開口環(huán)的低通濾波器，解決現(xiàn)有技術中低通濾波器結構復雜、加工困難、尺寸偏大的問題。

本發(fā)明的技術方案是：一種利用開口環(huán)的低通濾波器，包括空氣腔、設置于空氣腔中的介質基板(1)、設置于介質基板上的微帶線；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構，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)開口方向為輸出段方向；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)開口方向為輸入段方向；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“T”形支節(jié)。

進一步的，所述中間段中的每個“T”形支節(jié)靠近濾波器中心的末端長于遠離濾波器中心的末端。

本發(fā)明相比現(xiàn)用的濾波器結構，該結構設計簡單、加工方便。因為濾波器的主題全部采用相同寬度的微帶線/懸置微帶線設計，且只需調節(jié)很少的變量(開口環(huán)的長度)，就可以調節(jié)濾波器截止頻率；相比現(xiàn)有結構，該濾波器的阻帶寬度、阻帶抑制等低通濾波特性更好；該設計濾波器尺寸更小；與高低阻抗低通濾波器相比，主體結構尺寸減小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構圖；

圖2單開口環(huán)拓撲結構；

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,單開口環(huán)傳輸曲線(S21)

圖6改進后的雙開口環(huán)拓撲結構；

圖7 l8變化時,雙開口環(huán)傳輸曲線(S21)；

圖8(a)開口環(huán)結構低通濾波器與傳統(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)結構濾波結構,(b)仿真和測試結果對比。

圖1中：1.介質基板、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。

具體實施方式

本發(fā)明的技術方案是：一種利用開口環(huán)的低通濾波器，包括空氣腔、設置于空氣腔中的介質基板(1)、設置于介質基板上的微帶線；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構，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)開口方向為輸出段方向；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)開口方向為輸入段方向；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“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前后關于濾波器的中心點對稱；其中一組“T”形支節(jié)組參與組成兩個矩形開口環(huán)，因此前后相鄰的兩個矩形開口環(huán)共用同一個縱向邊，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，這樣的設計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，這樣的設計可以增加傳輸零點實現(xiàn)寬阻帶特性；其中開口環(huán)兩個左右相鄰的開口環(huán)可以看作一個大開口環(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)中的每個彎折支節(jié)可以等效成一個支節(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)構成低頻信號的通路；其中矩形開口環(huán)中，開口位于開口側的中間，開口的左右兩側的彎折支節(jié)長度相同并通過開口相互關聯(lián)，每一個開口可等效成一個電容，隨著開口大小的增大等效電容變??；其中濾波器主體結構中采用相同的開口大小和中間開口來實現(xiàn)結構的對稱性。

一、濾波器分析

(1)單個開口環(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，單個開口環(huán)諧振器的拓撲結構如圖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，諧振結構是左右對稱的，當采用抽頭式饋電的時候，會在開口的兩側引入兩個支節(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應當有電阻。從電路來看該電路具有二階帶阻特性，C2、L2和C3、L3分別構成一個諧振器控制著電路的一個傳輸零點。因為電路對稱，電路中的兩個諧振電路的諧振頻率相等，因此電路只有一個傳輸零點，是一個帶阻特性的電路。通過分析也可以把圖2中的l1+l2和l3+l4分別看成一個微帶諧振器兩個諧振器并聯(lián)在電路上，并通過C1有所關聯(lián)，形成電路中的兩個傳輸零點。單開口環(huán)諧振器也可以等效為兩個并聯(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分別對應圖3中的兩個諧振支節(jié)，控制著電路的零點。

為了驗證對單開口環(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的值會減小而使傳輸零點的位置向上偏移。同樣因耦合的減弱使兩個零點的矩形系數(shù)都變差了。

(2)改進型雙開口環(huán)結構

本文設計低通濾波器的思路是串并聯(lián)多個帶阻單元來實現(xiàn)很寬的高頻阻帶從而成為滿足需求的低通濾波器，即增加傳輸零點的個數(shù)以及寬度。因此需要對單個開口環(huán)經(jīng)行改進，盡量增加其帶寬和傳輸零點。考慮在單開口環(huán)中間增加一個橫向枝節(jié)、上下兩側都做開口構成對稱形式如圖6所示。在圖6中存在三個開口環(huán)，原開口單元環(huán)和兩個有橫向支節(jié)引出的兩個并聯(lián)的小開口環(huán)，其中兩個小開口環(huán)的傳輸零點一致。從諧振支節(jié)上分析可知該結構有兩個傳輸零點，大開口環(huán)結構控制低頻傳輸零點位置，高頻傳輸零點位置由兩個小開口環(huán)控制。由于兩個并聯(lián)諧振器的傳輸零點是一樣的可以起到增加零點帶寬的作用，所以傳輸曲線的高頻矩形系數(shù)要更好。當l8增加時兩個傳輸零點都會下移。

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可以看出每個傳輸曲線存在兩個傳輸零點，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)濾波器結構

在對單個開口環(huán)經(jīng)行改進以后，根據(jù)串聯(lián)的思路，采用三個改進型的開口環(huán)組成濾波器主體結構并使相鄰的開口環(huán)共用一個邊，其結構如圖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，改進開口環(huán)結構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。

為了驗證改進開口環(huán)結構濾波器通帶和阻帶的頻率響應特性，級聯(lián)背靠背U/W波段探針過渡的濾波器結構被設計、制作及測試。連接背靠背雙探針過渡的濾波器結構如圖9(a)所示，測試結果和仿真結果對比如圖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。