本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料微波濾波器。

背景技術(shù)：

在一個(gè)通信系統(tǒng)中，在有源電路的輸入輸出級之間普遍存在濾波器，各濾波器有各自不同的功能。濾波器為無線通信系統(tǒng)一個(gè)不可缺少的器件，它的性能好壞直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。濾波器的功能包括：避免由于發(fā)射端輸出信號泄露而使接收器前端飽和；除去如鏡頻一類的干擾信號；減小來自天線端的本機(jī)振蕩器的功率泄露；以及削弱同時(shí)存在的不同通信系統(tǒng)間的干擾等。

隨著無線通信的發(fā)展，濾波器研究不斷地取得新進(jìn)展。現(xiàn)代蜂窩移動通信、無線局域網(wǎng)為代表的無線通信技術(shù)的發(fā)展，就會對部分相鄰頻段的頻率選擇產(chǎn)生干擾。一方面，需要對這些干擾進(jìn)行抑制以提高系統(tǒng)的性能。另一方面，在某些場合也需要對上述無線干擾進(jìn)行削弱以保護(hù)其它系統(tǒng)正常工作，例如當(dāng)飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)工作時(shí)，就要求對飛機(jī)上用于無線接入目的的上述信號進(jìn)行削弱。因此，如何設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的濾波器就顯得非常必要。

目前，業(yè)內(nèi)普遍使用的超材料傳輸線有兩種。(一)復(fù)合左/右手傳輸線結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸線，從集總等效傳輸線理論角度重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)，通過傳統(tǒng)傳輸線加載集總電容、電感構(gòu)造超材料傳輸線，產(chǎn)生等效的負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。由于寄生右手效應(yīng)的不可避免，在某些頻率范圍內(nèi)加載集總電抗元件呈主導(dǎo)作用，表現(xiàn)左手傳播特性，具有負(fù)的等效介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和相速；在某些頻率范圍內(nèi)寄生右手效應(yīng)呈主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為右手傳播特性，具有正的等效介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和相速，因此也稱為復(fù)合左右手傳輸線(Composite Right/Left-Hand Transmission Lines,CRLH TLs)。(二)諧振式結(jié)構(gòu)，一種結(jié)構(gòu)是在周期性加載并聯(lián)金屬線的共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguides,CPW)背面蝕刻開口諧振環(huán)(Spilt Ring Resonators,SRR)。SRRs是小尺寸諧振器，產(chǎn)生等效負(fù)磁導(dǎo)率。并聯(lián)金屬線產(chǎn)生等效負(fù)介電常數(shù)。另一種結(jié)構(gòu)是SRR的互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Complementary Spilt Ring Resonators,CSRR)，通過在微帶線地平面蝕刻SRR結(jié)構(gòu)，在其諧振頻率附近的窄帶內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)傳輸禁帶，該現(xiàn)象由等效負(fù)介電常數(shù)引起。通過在結(jié)構(gòu)中增加級聯(lián)的電容縫隙可以產(chǎn)生等效負(fù)磁導(dǎo)率，使傳輸禁帶變?yōu)閭鬏斖◣?，可以傳輸后向波，從而?shí)現(xiàn)超材料傳輸線。

濾波器的帶外抑制沒有做好，有時(shí)候可能會導(dǎo)致系統(tǒng)受到寄生響應(yīng)和互調(diào)失真或諧波而造成多種干擾問題。因此，濾波器對帶外噪聲的抑制成為通信系統(tǒng)噪聲性能好壞的關(guān)鍵?；趥鹘y(tǒng)CSRR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有尺寸小，通帶低端選擇性良好等優(yōu)點(diǎn)，然而，較差的通帶高端帶外抑制性和頻率響應(yīng)的高度不對稱性嚴(yán)重制約了其在微波毫米波電路系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值比較有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料微波濾波器，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中濾波器通帶高端帶外抑制性差和頻率響應(yīng)高度不對稱的問題。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一方面，提出了一種基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料微波濾波器，包括至少一個(gè)濾波單元，所述濾波單元包括介質(zhì)基板、傳輸線、互補(bǔ)開口諧振環(huán)和開環(huán)諧振器；其中所述傳輸線位于所述介質(zhì)基板的頂層，加載了級聯(lián)縫隙電容，且中間開有縫隙；所述開環(huán)諧振器也位于所述介質(zhì)基板的頂層，并與所述傳輸線共面且位于傳輸線下方；所述互補(bǔ)開口諧振環(huán)位于所述介質(zhì)基板的底層，且由同心的內(nèi)環(huán)和外環(huán)構(gòu)成，所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開口位置相反。

可選地，傳輸線的寬度為2-3mm，縫隙寬度為0.3-0.4mm。

可選地，互補(bǔ)開口諧振環(huán)的外環(huán)半徑為6.5-7.5mm，環(huán)寬為0.6-0.8mm，內(nèi)外環(huán)間距為0.8mm，環(huán)開口寬度為0.7-1.0mm。

可選地，互補(bǔ)開口諧振環(huán)與所述傳輸線的間距為0.1mm。

可選地，開環(huán)諧振器為方環(huán)結(jié)構(gòu)，開口位于所述開環(huán)諧振器的下方，且相鄰的邊長的長度不同。

可選地，開環(huán)諧振器的方環(huán)的周長依據(jù)需要的工作頻段而確定，開環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)線寬為1mm，方環(huán)的長邊長度為17-20mm，方環(huán)的短邊長度為4-6mm。

可選地，傳輸線的寬度為2mm，縫隙寬度為0.4mm；互補(bǔ)開口諧振環(huán)的外環(huán)半徑為6.5mm，環(huán)寬為0.8mm，內(nèi)外環(huán)間距為0.8mm，環(huán)開口寬度為0.7mm；開環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)線寬為1mm，方環(huán)的長邊長度為17.58mm，方環(huán)的短邊長度為4.3mm。

可選地，傳輸線的寬度為3mm，縫隙寬度為0.3mm；互補(bǔ)開口諧振環(huán)的外環(huán)半徑為7.46mm，環(huán)寬為0.6mm，內(nèi)外環(huán)間距為0.8mm，環(huán)開口寬度為0.97mm；開環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)線寬為1mm，方環(huán)的長邊長度為19.1mm，方環(huán)的短邊長度為5.5mm。

進(jìn)一步地，超材料微波濾波器還包括饋線，其中饋線連接于傳輸線的兩側(cè)并進(jìn)行饋電。

可選地，饋線為50歐姆。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明提供的濾波器在傳統(tǒng)CSRR的基礎(chǔ)上引入開環(huán)諧振器(Open Loop Resonators，OLR)，在通帶高端產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，改善了帶外抑制特性和頻率響應(yīng)的不對稱性。本發(fā)明提供的濾波器的單元結(jié)構(gòu)中雖然引入了OLR，但其橫向尺寸并未增加，有利于濾波器的小型化設(shè)計(jì)。本發(fā)明提供的濾波器整體結(jié)構(gòu)簡單，沒有金屬化過孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，易于加工。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的平面超材料微波濾波器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的平面超材料微波濾波器的另一實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

根據(jù)本發(fā)明的基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料微波濾波器包括至少一個(gè)濾波單元。下面將參照圖1描述僅包括一個(gè)濾波單元的超材料微波濾波器的結(jié)構(gòu)。

參見圖1，基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的平面超材料微波濾波器包括一個(gè)濾波單元。該濾波單元具備三層結(jié)構(gòu)，其中頂層為覆銅帶線結(jié)構(gòu)、中間層為介質(zhì)基板5、底層為覆銅缺陷地結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，頂層的覆銅帶線結(jié)構(gòu)包括傳輸線2和OLR 3，底層的覆銅缺陷地結(jié)構(gòu)蝕刻有CSRR 4。

由此可見，該濾波單元包括傳輸線2、OLR 3、CSRR 4和介質(zhì)基板5。傳輸線2位于介質(zhì)基板5的頂層，加載了級聯(lián)縫隙電容，且中間開有縫隙。OLR 3也位于介質(zhì)基板5的頂層，與傳輸線2共面且位于傳輸線下方。CSRR 4位于介質(zhì)基板5的底層，且由同心的內(nèi)環(huán)和外環(huán)構(gòu)成，所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開口位置相反。傳輸線2、OLR 3和CSRR 4通過感性耦合加載于介質(zhì)基板5上。

可選地，OLR 3為方環(huán)結(jié)構(gòu)，開口位于所述開環(huán)諧振器的下方，且相鄰的邊長的長度不同。OLR 3的方環(huán)的周長依據(jù)需要的工作頻段而確定，

這里，傳輸線2用于為濾波單元傳遞能量；OLR 3用于在通帶高端產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，提高帶外抑制特性；CSRR 4用于實(shí)現(xiàn)通帶，并在低端產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。在此濾波單元的基礎(chǔ)上形成的濾波器在傳統(tǒng)CSRR的基礎(chǔ)上引入OLR，利用其諧振特征在通帶高端產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，能夠有效提高帶外抑制特性且改善頻率響應(yīng)的不對稱性。此外，雖然在濾波單元中引入了OLR，但是其橫向尺寸并未增加，因而有利于濾波器的小型化。

可以理解，由于傳輸線2、OLR 3和CSRR 4之間的耦合作用，可以形成一個(gè)更寬的具有良好傳輸特性的通帶。此外傳輸線2上加載的縫隙電容結(jié)構(gòu)可以將濾波單元在諧振頻率附近的帶阻特性轉(zhuǎn)換為帶通特性，進(jìn)而利用這一特性實(shí)現(xiàn)帶通濾波器。

可選地，連接于端口A和端口B之間的饋線與濾波單元內(nèi)部的傳輸線相連接，用于為該濾波器饋電。這里，饋線為50歐姆。

以上參照圖1描述的濾波器中僅包含一個(gè)濾波單元。具體地，如圖1所示的濾波器包括饋線1、傳輸線2、OLR 3、CSRR 4和介質(zhì)基板5。

此外，為了不同的濾波效果，可以考慮將濾波單元進(jìn)行周期性排列，級聯(lián)成基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料微波濾波器。

在如圖2所示的另一具體實(shí)施例中，濾波器包括兩個(gè)或更多個(gè)級聯(lián)的濾波單元，即該兩個(gè)或更多個(gè)濾波單元直接連接。其中每個(gè)濾波單元的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示的濾波單元所示。此外，濾波器還可以包括饋線1，濾波器的傳輸線分別經(jīng)由饋線1與端口A、端口B連接。

在圖1或圖2所示的濾波器的示意性實(shí)施例中，傳輸線2的寬度w₂可以為2-3mm，縫隙寬度g₁為0.3-0.4mm。CSRR 4的外環(huán)半徑r為6.5-7.5mm，環(huán)寬c為0.6-0.8mm，內(nèi)外環(huán)間距d為0.8mm，環(huán)開口寬度g₂為0.7-1.0mm。OLR 3與傳輸線2的間距s為0.1mm。OLR 3的線寬w₃為1mm，方環(huán)的長邊長度l₂為17-20mm，方環(huán)的短邊長度l₃為4-6mm。

通過以下步驟詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的級聯(lián)濾波器。

步驟一、初步確定濾波單元的結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)需要的工作頻段，先確定濾波單元的諧振頻率，再根據(jù)其諧振頻率確定CSRR結(jié)構(gòu)的尺寸，例如將傳輸線2的寬度w₂設(shè)為2mm、縫隙寬度g₁設(shè)為0.5mm，建立濾波單元的結(jié)構(gòu)模型；然后對傳輸線2的寬度w₂、縫隙寬度g₁以及CSRR 4的外環(huán)半徑r、環(huán)寬c、內(nèi)外環(huán)間距d、環(huán)開口寬度g₂進(jìn)行優(yōu)化，初步確定這些參數(shù)的值。例如，優(yōu)化后的傳輸線2的寬度w₂為2mm，縫隙寬度g₁為0.4mm，CSRR 4的外環(huán)半徑r為6.5mm，環(huán)寬c為0.8mm，內(nèi)外環(huán)間距d為0.8mm，環(huán)開口寬度g₂為0.7mm。

步驟二、加載OLR結(jié)構(gòu)

首先將OLR 3的結(jié)構(gòu)線寬w₃初步定為1mm，根據(jù)需要的工作頻段，確定方環(huán)的周長約為波導(dǎo)波長的一半。出于小型化考慮，例如將方環(huán)尺寸初步定為長邊長度l₂為17mm，短邊長度l₃為5mm。將OLR 3加載于濾波單元中，OLR 3與傳輸線2的間距s為0.1mm，由于結(jié)構(gòu)間的耦合作用，對OLR 3結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定新的單元尺寸的值，優(yōu)化后的OLR 3的線寬w₃為1mm,方環(huán)長邊長度l₂為17.58mm，方環(huán)短邊長度l₃為4.3mm。

三、級聯(lián)單元實(shí)現(xiàn)濾波器

設(shè)計(jì)濾波器結(jié)構(gòu)。濾波器為平面周期性結(jié)構(gòu)，由級聯(lián)單元的方式實(shí)現(xiàn)。由于級間干擾的影響比較明顯，對單元結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行優(yōu)化，確定級聯(lián)后的單元尺寸，優(yōu)化后的傳輸線的寬度w₂為3mm，縫隙寬度g₁為0.3mm，CSRR 4的外環(huán)半徑r為7.46mm，環(huán)寬c為0.6mm，內(nèi)外環(huán)間距d為0.8mm，環(huán)開口寬度g₂為0.97mm。OLR 3的線寬w₃為1mm,方環(huán)長邊長度l₂為19.1mm，方環(huán)短邊長度l₃為5.5mm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的平面超材料微波濾波器設(shè)計(jì)成工作在0.89GHz-1.217GHz頻段，整個(gè)工作頻段內(nèi)插入損耗優(yōu)于-1.13dB，回波損耗小于-10dB。在通帶兩側(cè)各產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，在0.7GHz出衰減為-50dB，在1.5GHz出衰減為-28dB。優(yōu)化后的濾波器的整體尺寸為：長度40mm、寬度14.9mm、高度30mm。

由此，本發(fā)明主要是優(yōu)化CSRR和OLR的諧振頻率，即調(diào)整濾波單元中r、c、d、g₂、l₂、l₃等結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而得到理想的結(jié)果。即根據(jù)給定的濾波器中心頻率和工作帶寬的技術(shù)指標(biāo)，可以通過調(diào)整濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變其中CSRR和OLR的諧振頻率，使其工作在所需的頻段。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料濾波器，改善了帶外抑制特性和頻率響應(yīng)的不對稱性。通過改變單元結(jié)構(gòu)尺寸，可以靈活調(diào)整傳輸線單元的工作頻帶和工作帶寬。然后通過周期性級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高性能、小型化的平面超材料微波濾波器。本發(fā)明所提出的平面結(jié)構(gòu)通過普通印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)技術(shù)便能夠進(jìn)行加工，完全適合大批量生產(chǎn)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。