一种利用开口环的低通滤波器的制作方法

本发明属于滤波器领域,特别是利用开口环的低通滤波器。

背景技术：

在常用的毫米波、太赫兹低通滤波器主要有阶跃型高低阻抗低通滤波器和带隙能结构低通滤波器，在毫米波、太赫兹电路中，因为波长很短造成电路的封闭腔和承载基片的尺寸很小，基本上都在亚毫米量级因此在微带线/悬置微带线电路中微带线的最大宽度有限，使低阻抗线设计受到限制，同时由于最小加工精度的存在，高阻抗线的设计也会受到限制，因此在毫米波、太赫兹频段采用阶跃型高低阻抗低通滤波器设计作为滤波电路会受到诸多限制，且高节阶跃型高低阻抗低通滤波器存在长度太长、阻带不宽等缺点。带隙能结构能减小滤波器的尺寸，能适用于更高的频率，且阻带抑制有所提高，但其设计比较复杂，而且在太赫兹频段微带线/悬置微带线的50欧阻抗线宽度很小，在现有的加工精度下带隙能结构实现起来比较困难。

在微带线/悬置微带线电路中，传输线型谐振器是在微波频段最为常用的一类谐振器，其中均匀阻抗谐振器(UIR)结构简单、设计简便，广泛应用于滤波器设计中。开口环谐振器作为常见的UIR结构常用于微带/悬置微带电路的设计中用来减小电路尺寸实现电路小型化。与基于布拉格散射原理的电磁带隙结构不同，开口环谐振器(Split ring resonator,SRR)是一类亚波长结构，可用于构成左手材料，该材料具有负群速度、负折射率、理想成像等，被美国Science杂志列为2003年度全球十大进展之一。单个SRR即可在谐振频率附近产生陡峭的阻带,具有结构简单、尺寸容易控制的优点。SRR是一个一边开口的金属环，它的形状可以使圆形或者矩形。在通常所见的电路中SRR常被用来设计带通滤波器和带阻滤波器，在本设计中利用传统的SRR陡峭阻带并增加其阻带宽度，通过串并联的形式实现滤波器在高频段的抑制，从而实现满足需求的低通滤波器。

本设计将开口环(SRR)结构引入到低通滤波器设计中，并对其改进实现SRR结构的串并联最终实现宽的高频抑制阻带，用SRR结构实现的低通滤波器展示了良好的低通滤波特性。由于SRR结构通过调节很少的变量即可控制滤波器的通带，且所使用的线宽一致且可以调控，这样降低了设计和加工的难度。与阶跃型高低阻抗低通滤波器相比，在相同的阻带抑制特性下，开口环低通滤波器能减小50％以上的长度。

技术实现要素：

本发明针对背景技术的不足改进设计一种利用开口环的低通滤波器，解决现有技术中低通滤波器结构复杂、加工困难、尺寸偏大的问题。

本发明的技术方案是：一种利用开口环的低通滤波器，包括空气腔、设置于空气腔中的介质基板(1)、设置于介质基板上的微带线；所述微带线包括：输入段、中间段、输出段，所述各段微带线都为对称结构，其中输入段包括：输入馈电微带线(2)、与输入馈电微带线连接的第一“凹”形支节(3)，该“凹”形支节开口方向为输出段方向；所述输出段微带线包括：输出馈电微带线(8)、与输出馈电微带线连接的第二“凹”形支节(7)，该“凹”形支节开口方向为输入段方向；所述中间段包括：连接输入段与输出段的横向支节(5)、该横向支节上设置的两组“T”形支节(4、6)，每组包括以该横向支节为对称轴的两个“T”形支节。

进一步的，所述中间段中的每个“T”形支节靠近滤波器中心的末端长于远离滤波器中心的末端。

本发明相比现用的滤波器结构，该结构设计简单、加工方便。因为滤波器的主题全部采用相同宽度的微带线/悬置微带线设计，且只需调节很少的变量(开口环的长度)，就可以调节滤波器截止频率；相比现有结构，该滤波器的阻带宽度、阻带抑制等低通滤波特性更好；该设计滤波器尺寸更小；与高低阻抗低通滤波器相比，主体结构尺寸减小50％以上。

附图说明

图1本发明利用开口环的低通滤波器整体结构图；

图2单开口环拓扑结构；

图3单开口环集总参数等效电路；

图4单开口环两并联枝节等效电路；

图5不同h值时,单开口环传输曲线(S21)

图6改进后的双开口环拓扑结构；

图7中l8变化时,双开口环传输曲线(S21)；

图8为开口环结构低通滤波器与传统阶跃型高低阻抗低通滤波器电路；

图9为仿真曲线对比；

图10为U/W波段背靠背探针过渡级联开口环结构滤波结构；

图11为仿真和测试结果对比。

图1中：1.介质基板、2.输入馈电微带线，3.第一“凹”形支节，4.第一“T”形支节组，5.横向支节，6.第二“T”形支节组，7.第二“凹”形支节，8.输出馈电微带线。

具体实施方式

本发明的技术方案是：一种利用开口环的低通滤波器，包括空气腔、设置于空气腔中的介质基板(1)、设置于介质基板上的微带线；所述微带线包括：输入段、中间段、输出段，所述各段微带线都为对称结构，其中输入段包括：输入馈电微带线(2)、与输入馈电微带线连接的第一“凹”形支节(3)，该“凹”形支节开口方向为输出段方向；所述输出段微带线包括：输出馈电微带线(8)、与输出馈电微带线连接的第二“凹”形支节(7)，该“凹”形支节开口方向为输入段方向；所述中间段包括：连接输入段与输出段的横向支节(5)、该横向支节上设置的两组“T”形支节(4、6)，每组包括以该横向支节为对称轴的两个“T”形支节。其中滤波器主体采用抽头馈电形式馈电，并有输入馈电微带线(2)和输出馈电微带线(8)与外部相连；其中第一“凹”形支节(3)、第一“T”形支节组(4)的前半部分、横向支节(5)的前半部分构成矩形开口环A和矩形开口环A1，第一“T”形支节组(4)的后半部分、第二“T”形支节组(6)的前半部分、横向支节(5)的中间部分、构成矩形开口环B和矩形开口环B1，第二“T”形支节组(6)的后半部分、第二“凹”形支节(7)、横向支节(5)的后半部分构成矩形开口环C和矩形开口环C1；其中开口环A、A1,B、B1和C、C1分别左右对称,并共用横向支节(5)的不同部分，A、A1和C、C1前后关于滤波器的中心点对称；其中一组“T”形支节组参与组成两个矩形开口环，因此前后相邻的两个矩形开口环共用同一个纵向边，例如矩形开口环A和矩形开口环B共用第一“T”形支节组(4)的纵向边，这样的设计可以减小滤波器的尺寸；其中前后相邻的开口环属于串联连接；其中矩形开口环B、B1的总体长度要大于矩形开口环A、A1、C、C1，这样的设计可以增加传输零点实现宽阻带特性；其中开口环两个左右相邻的开口环可以看作一个大开口环，例如矩形开口环A、矩形开口环A1合起来可以看成一个大的开口环；其中矩形开口环B和矩形开口环B1组成的大开口环的有效谐振长度控制着滤波器的截止频率；其中两组“T”形支节(4、6)和两组“凹”形支节(3、7)中的每个弯折支节可以等效成一个支节谐振器，支节的弯折增加了有效谐振长度；其中横向支节(5)构成低频信号的通路；其中矩形开口环中，开口位于开口侧的中间，开口的左右两侧的弯折支节长度相同并通过开口相互关联，每一个开口可等效成一个电容，随着开口大小的增大等效电容变小；其中滤波器主体结构中采用相同的开口大小和中间开口来实现结构的对称性。

一、滤波器分析

(1)单个开口环谐振器的研究

开口环属于均匀阻抗谐振器，其形状有很多种比如圆形、方形、三角形以及多边形，其本质都是微带半波长谐振器或者四分之一波长谐振器的变种。在这里采用矩形(包含方形)开口环谐振器，单个开口环谐振器的拓扑结构如图2所示。谐振器有宽度相同的微带线组成，从整体上看开口环属于半波长谐振器，其总长度约等于谐振频率波导波长的一半。该开口环谐振器开口位于一边的中心，谐振结构是左右对称的，当采用抽头式馈电的时候，会在开口的两侧引入两个支节谐振器，支节谐振器通过开口引入的耦合相互连接。由于在太赫兹频段电路的尺寸和波长在同一个量级上，且微带线的屏蔽腔很小，屏蔽腔对微带线的传输特性的影响无法忽略，因此想要准确的给出开口环在太赫兹频段的集总参数分析是不切实际的，因此这里只定性的分析开口环的特性。

通过对微带线的等效分析给出开口环的等效集总参数电路，通过该电路来分析开口环的输出特性，如图3所示。有图3可知电容C1代表开口h带来的电容，L2、C2是右半部分长度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应当有电阻。从电路来看该电路具有二阶带阻特性，C2、L2和C3、L3分别构成一个谐振器控制着电路的一个传输零点。因为电路对称，电路中的两个谐振电路的谐振频率相等，因此电路只有一个传输零点，是一个带阻特性的电路。通过分析也可以把图2中的l1+l2和l3+l4分别看成一个微带谐振器两个谐振器并联在电路上，并通过C1有所关联，形成电路中的两个传输零点。单开口环谐振器也可以等效为两个并联枝节其等效电路如图4所示。图4中电容C1’为两个并联枝节的耦合电容，l5≈l1+l2,l6≈l3+l4。枝节l5和l6分别对应图3中的两个谐振支节，控制着电路的零点。

为了验证对单开口环的分析，在仿真软件HFSS中以Rogers RT/duroid 5880为介质基片建立三维仿真模型，空气腔的宽度为0.7mm、高度为0.6mm。在仿真软件中置仿真频率为1～200GHz，可得不同h值时单开口环传输曲线(S21)，如图5所示。

由图5可知随着h的增大电容C1的值会减小而使传输零点的位置向上偏移。同样因耦合的减弱使两个零点的矩形系数都变差了。

(2)改进型双开口环结构

本文设计低通滤波器的思路是串并联多个带阻单元来实现很宽的高频阻带从而成为满足需求的低通滤波器，即增加传输零点的个数以及宽度。因此需要对单个开口环经行改进，尽量增加其带宽和传输零点。考虑在单开口环中间增加一个横向枝节、上下两侧都做开口构成对称形式如图6所示。在图6中存在三个开口环，原开口单元环和两个有横向支节引出的两个并联的小开口环，其中两个小开口环的传输零点一致。从谐振支节上分析可知该结构有两个传输零点，大开口环结构控制低频传输零点位置，高频传输零点位置由两个小开口环控制。由于两个并联谐振器的传输零点是一样的可以起到增加零点带宽的作用，所以传输曲线的高频矩形系数要更好。当l8增加时两个传输零点都会下移。

通过仿真可以得到双开口环的传输特性曲线如图7所示。改变l8的值可看到输出曲线变化趋势。有图7可以看出每个传输曲线存在两个传输零点，高频端的变化速度要比低频段快，矩形系数比较好，且随着l8增大阻带区域下移，与上述分析一致。

(3)滤波器结构

在对单个开口环经行改进以后，根据串联的思路，采用三个改进型的开口环组成滤波器主体结构并使相邻的开口环共用一个边，其结构如图8所示。采用开口环的低通滤波器具有良好的带外抑制特性和很宽的阻带带宽。若改用传统的高低阻抗滤波器，在同样最高微带特性阻抗尺寸下，须采用更高的阶数和更长的长度才能达到相同的带外抑制度。与传统的阶跃型高低阻抗低通滤波器相比，改进开口环结构低通滤波器可大幅度缩减电路长度，有图9中的对比可知开口环低通滤波器能减小50％以上的长度。由图9中的仿真结果可以看出滤波器有大于40dB以上的阻带抑制，且有很宽的阻带宽度。

为了验证改进开口环结构滤波器通带和阻带的频率响应特性，级联背靠背U/W波段探针过渡的滤波器结构被设计、制作及测试。连接背靠背双探针过渡的滤波器结构如图10所示，测试结果和仿真结果对比如图11所示。由图11可以看出在U波段和W波段滤波器的测试曲线和仿真曲线的一致度很高。测试结果表明在U波段滤波器的插入损耗在0.5-0.7dB之间，在100GHz处的阻带抑制为31.7dB。