本發(fā)明涉及一種具有吸波功能的微波波段帶通濾波器，屬于無線通信和新型人工電磁材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，帶通濾波器是很重要的一類器件，如何提高帶通濾波器的性能一直是非常重要的研究內(nèi)容。常規(guī)的帶通濾波器是讓工作頻段有很高的透射率，而工作頻段以外的電磁波主要是被反射掉，雖然這部分電磁波信號不能通過帶通濾波器，但是這些被反射的電磁波信號存在于通信系統(tǒng)中，會降低信噪比(signaltonoiseratio)。

通常的超材料電磁波吸收器都是由金屬-介質(zhì)-金屬組成的三層結(jié)構(gòu)，其底面都是連續(xù)的金屬膜，金屬膜的厚度大于電磁波的穿透深度，從而起到防止電磁波透射的作用，因此通訊頻段的電磁波也是無法通過的。在本發(fā)明中，我們將通常的超材料電磁波吸收器的底面換成具有一定開孔結(jié)構(gòu)的金屬膜，從而使得通訊用的電磁波可以通過，而該結(jié)構(gòu)又具有對帶外電磁波信號的吸收能力，從而可以降低噪聲的影響，提高信噪比。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有吸波功能的微波波段帶通濾波器，該帶通濾波器可有效對帶通頻段以外的電磁波進行吸收。具體地說，本發(fā)明是在s波段的高頻部分或c波段的低頻部分有透射，而在c波段的高頻部分和x、ku波段有很多吸收波段的帶通濾波器。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種具有吸波功能的微波波段帶通濾波器，包括：多個正方形的濾波單元，

所述濾波單元由4個呈正方形設(shè)置的吸收單體拼接而成，吸收單體包括：

位于底層的金屬濾波層，其厚度為17～36μm；

位于中間層的介質(zhì)層，其厚度為2～6mm；

位于表層且金屬材質(zhì)的耦合層，其厚度為17～36μm；

其中，耦合層的中部設(shè)有通孔并將耦合層分成兩部分，且耦合層呈對稱結(jié)構(gòu)；相鄰的兩個吸收單體的通孔方向垂直。優(yōu)選地，通孔的長度方向與耦合層的一側(cè)面平行設(shè)置。濾波單元由四個吸收單體組成，其中兩個是吸收單體a，另外兩個是吸收單體b。吸收單體a和b都由三層結(jié)構(gòu)組成，分別是位于底層的金屬濾波層，位于中間層的介質(zhì)層和位于表層的對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)。吸收單體a和b的底層金屬濾波層和中間介質(zhì)層都相同，吸收單體b的對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由吸收單體a的對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90度得到，反之亦然。因此，濾波單元的表層是由四個對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)組成。

吸收單體a和b中的對稱開口環(huán)和底層的金屬濾波層之間可以產(chǎn)生電諧振或磁諧振。電諧振和磁諧振及其混合諧振模式可以產(chǎn)生很多吸收頻段，而耦合層和底層的濾波層具有帶通頻段，因此就構(gòu)成了具有吸波功能的微波波段帶通濾波器。兩種吸收單體a和b的底層金屬濾波層和中間介質(zhì)層相同，吸收單體b的對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)由吸收單體a的對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90度得到，反之亦然。吸收單體a的上下左右是四個吸收單體b，同樣吸收單體b的上下左右是四個吸收單體a。該發(fā)明的濾波單元具有四度旋轉(zhuǎn)對稱性。

進一步地，所述通孔包括位于中部且呈正方形設(shè)置的耦合孔和位于耦合孔兩側(cè)也呈正方形設(shè)置的開孔，優(yōu)選地，耦合孔邊長為a，開孔邊長為b，a>b。再優(yōu)選地，a＝(1.5～2.5)b。通孔呈十字形設(shè)置。

每個對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)包括一個正方形耦合孔和兩個正方形開孔。吸收單體a和b的底層金屬濾波層的邊長小于介質(zhì)層的邊長。因此，帶通濾波器的一個濾波單元的底面由四個正方形的金屬片、一個十字形開孔以及一個正方形開孔框組成。該發(fā)明的濾波單元具有四度旋轉(zhuǎn)對稱性，因此由吸收單體a和b所組成的濾波單元向x和y方向進行周期延拓構(gòu)成的帶通濾波器對極化方向分別平行于x軸和y軸的垂直入射線極化電磁波具有相同的吸收和帶通特性。

本發(fā)明的帶通頻段的頻率范圍主要由濾波單元的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)、介質(zhì)層厚度以及吸收單體的耦合層和濾波層等結(jié)構(gòu)參數(shù)來決定，其中濾波單元的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)層厚度起主要作用。本發(fā)明中的吸收頻段由吸收單體a和吸收單體b中不同部位引起的磁諧振或電諧振來決定。本發(fā)明中的一個濾波單元由兩個吸收單體a和兩個吸收單體b組成，因此一個吸收單體的整體尺寸小于濾波單元，所以由吸收單體決定的吸收頻段的頻率會高于主要由濾波單元整體尺寸決定的帶通頻段。

進一步地，耦合層、介質(zhì)層、金屬濾波層均為正方形結(jié)構(gòu)，且耦合層、金屬濾波層的邊長均小于介質(zhì)層的邊長。因此，由四個吸收單體a和b組成的帶通濾波器的一個濾波單元的底面由四個正方形的金屬片、一個十字形開孔和一個正方形開孔框組成。濾波單元底層的十字形開孔的寬度d為0.8～1.4mm，濾波單元底層的正方形開孔框的寬度為0.4～0.7mm。

本發(fā)明的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計使得高于帶通頻率范圍內(nèi)有多個吸收頻段存在。

進一步地，底層為金屬膜層，優(yōu)選為銅膜層；介質(zhì)層為損耗介質(zhì)，優(yōu)選為fr-4介質(zhì)；耦合層為金屬層，優(yōu)選為銅層。

優(yōu)選地，帶通濾波器的濾波單元的邊長p為28～30mm。耦合層的邊長為l，l＝13～14.2mm，耦合孔的邊長為a，a＝6.5～8.5mm，開孔的邊長為b，b＝2.5～4mm。

進一步地，濾波單元邊長為p，p＝28～30mm。吸收單體的金屬濾波層邊長為h，h＝13～14.2mm。相鄰的吸收單體上的金屬濾波層之間的距離為d，d＝0.8～1.4mm。相鄰的吸收單體上的耦合層之間的距離為c，c＝0.8～1.4mm?；蛘撸詈蠈拥膫?cè)面至介質(zhì)層的側(cè)面距離為c/2＝0.4～0.7mm。

進一步地，介質(zhì)層的厚度在3.2～4.4mm之間時可以有多個比較強的吸收峰。當介質(zhì)的厚度為2～3.2mm或4.4～6mm時，吸收峰的數(shù)量和強度有所下降。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以在s波段的高頻部分或c波段的低頻部分有透射，而在c波段的高頻部分和x、ku波段有很多吸收波段，從而大大提高了信噪比。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的一種表層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的一種底層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例中的濾波單元的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

一個濾波單元由兩個吸收單體a和兩個吸收單體b組成。表層部分耦合層由金屬銅制作而成，中間介質(zhì)層部分是fr-4介質(zhì)。

圖4為本發(fā)明實施例中的一個濾波單元的一種正視示意圖。

圖中a是正方形耦合孔的寬度，大小為6.5～8.5mm。b是對稱開口環(huán)中的開孔的寬度，也是金屬條的寬度，大小為2.5～4mm。c是相鄰吸收單體上耦合層之間的寬度，c＝0.8～1.4mm。吸收單體的耦合層邊長l＝13～14.2mm。濾波單元的邊長p＝28～30mm。

圖5為本發(fā)明實施例中的一個濾波單元的一種底層示意圖。

d是相鄰吸收單體上金屬濾波層之間的寬度，d＝0.8～1.4mm。h是吸收單體a和b的底層金屬濾波層的邊長，h＝13～14.2mm。金屬濾波層的側(cè)面至介質(zhì)層的側(cè)面的寬度為d/2＝0.4～0.7mm。

圖6為本發(fā)明實施例的濾波單元中的吸收單體a的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例的濾波單元中的吸收單體a的表層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明實施例的濾波單元中的吸收單體a的底層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明實施例的濾波單元中的吸收單體b的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為本發(fā)明實施例的濾波單元中的吸收單體b的表層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為本發(fā)明實施例的濾波單元中的吸收單體b的底層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12為本發(fā)明實施例對極化方向分別平行于x軸和y軸的垂直入射線極化電磁波的吸收頻譜圖。

圖13為本發(fā)明實施例對極化方向分別平行于x軸和y軸的垂直入射線極化電磁波的透射頻譜圖。

圖14為本發(fā)明實施例在6.1ghz處的電流分布圖。

圖15為本發(fā)明實施例在9.06ghz處的電流分布圖。

圖16為本發(fā)明實施例在12.15ghz處的電流分布圖。

圖17為本發(fā)明實施例在12.73ghz處的電流分布圖。

圖18為本發(fā)明實施例在13.64ghz處的電流分布圖。

附圖說明：

1——耦合層；2——介質(zhì)層；3——金屬濾波層；11——開孔；12——耦合孔；4——吸收單體a；5——吸收單體b；31——十字形開孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步地說明。

實施例：請參閱附圖1至附圖18。本發(fā)明為一種具有吸波功能的微波波段帶通濾波器。其包括：多個正方形的濾波單元，所述濾波單元由4個呈正方形設(shè)置的吸收單體拼接而成，吸收單體包括：位于底層的金屬濾波層3，其厚度為17～36μm；位于中間層的介質(zhì)層2，其厚度為2～6mm；位于表層且金屬材質(zhì)的耦合層1，其厚度為17～36μm；其中，耦合層1的中部設(shè)有通孔并將耦合層1分成兩部分，且耦合層1呈對稱結(jié)構(gòu)；相鄰的兩個吸收單體的通孔方向垂直。通孔包括位于中部且呈正方形設(shè)置的耦合孔12和位于耦合孔12兩側(cè)也呈正方形設(shè)置的開孔11，優(yōu)選地，耦合孔12邊長為a，開孔11邊長為b，a>b。再優(yōu)選地，a＝(1.5～2.5)b。通孔呈十字形設(shè)置。如圖3至圖5所示，每個濾波單元由兩個吸收單體a4和兩個吸收單體b5組成。吸收單體的底層金屬濾波層3、中間介質(zhì)層2都相同，吸收單體b5的表層由吸收單體a4的表層對稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90度得到(如圖6、圖9所示)。如圖8和圖11所示，吸收單體a4和b5的底層金屬濾波層3的邊長小于介質(zhì)層2的邊長，因此在一個濾波單元的底面就形成一個十字形開孔31和一個正方形開孔框(如圖5所示)。

該帶通濾波器的吸波頻段主要由吸收單體的耦合層1和濾波層3的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，帶通頻段范圍主要由濾波單元的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)及介質(zhì)層2的厚度決定，因此可以根據(jù)實際需要調(diào)整該帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該發(fā)明在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中降低噪聲影響等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

優(yōu)選地，銅層的厚度為35μm，介質(zhì)層2的厚度為4mm。當極化方向平行于x軸的線極化電磁波垂直入射時，帶通頻段中心頻率及透射率隨濾波單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化如表1所示：

表1帶通頻段中心頻率及透射率隨濾波單元結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)的變化

當本發(fā)明中的介質(zhì)厚度范圍是3.2～4.4mm，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)取表1中的各組數(shù)值時，本發(fā)明在c波段、x波段和ku波段的幾個主要的吸收峰的中心頻率變化范圍和吸收率變化范圍如表2所示：

表2幾個主要的吸收峰的中心頻率和吸收率變化范圍

優(yōu)選地，濾波單元的尺寸為29.2mm，因此其亞波長的頻率范圍是10.27ghz以下。但是經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn)，該濾波器在10.27～14ghz頻段內(nèi)衍射非常微弱，可以忽略掉。

圖12～圖18是針對參數(shù)為：a＝8，b＝3，c＝1.2，d＝1.2，h＝14，l＝14，p＝29.2mm，銅層的厚度為35μm，介質(zhì)層2的厚度為4mm時的仿真結(jié)果。從圖12可以看出，對于極化方向分別平行于x軸和y軸的垂直入射線極化電磁波，該具有吸波功能的帶通濾波器在c波段、x波段和ku波段共有六個比較強的吸收峰和一個比較弱的吸收峰。這六個強吸收峰的吸收率都大于50％，其中大于90％的吸收峰有兩個，分別是以9.06ghz為中心頻率的吸收峰，吸收率為95.5％；和以13.64ghz為中心頻率的吸收峰，吸收率為95.4％。很明顯，由于該帶通濾波器的結(jié)構(gòu)具有四度旋轉(zhuǎn)對稱性，其對極化方向分別平行于x軸和y軸的垂直入射線極化電磁波的吸收曲線重合。

圖13給出的是當極化方向分別平行于x軸和y軸的線極化電磁波垂直入射時，該帶通濾波器的透射頻段的變化規(guī)律。其透射頻段的中心頻率為3.89ghz，透射率為64％，針對極化方向分別平行于x軸和y軸的垂直入射線極化電磁波的透射曲線非常好地重合在一起。

圖14至圖18給出的是五個吸收比較強的吸收峰處的電流分布圖。從圖14可以看出以6.1ghz為中心頻率的吸收峰主要是由吸收單體a4和吸收單體b5中的電諧振引起的。從圖15、圖16、圖17和圖18可以看出以9.06ghz、12.15ghz、12.73ghz和13.64ghz為中心頻率的四個吸收峰主要是由吸收單體a4和吸收單體b5中的高階磁諧振引起的。

以上僅是本申請的較佳實施例，在此基礎(chǔ)上的等同技術(shù)方案仍落入申請保護范圍。