一种基于新型双模谐振腔的E面太赫兹波导滤波器的制作方法

本发明属于太赫兹波导滤波器技术领域，具体涉及一种基于新型双模谐振腔的E面太赫兹波导滤波器。

背景技术

由于波导结构相对于微带线、带状线等结构具有更高的功率容量、更小的插入损耗会，在太赫兹频段通常会采用波导腔体结构制作无源器件。而对于滤波器，较好的带外抑制度以为可以滤除更多的杂散信息以方便应用于各种通信系统中，随着太赫兹技术的发展，高性能太赫兹滤波器的需求也日渐迫切。传统的滤波器可以通过增加滤波器的阶数来增加其左右抑制度，这就使得滤波器需要多个谐振腔体才能达到所需指标；但随着谐振腔体数量的增多，插损也随之增大，同时也大大增加了滤波器的尺寸和制造成本。

另一种提高滤波器频率选择能力的有效方式是通过在滤波器通带附近增加传输零点，使其带外抑制更为良好。在太赫兹频段，对于腔体滤波器主要通过以下两种方式引入传输零点：一种是通过交叉耦合的方式、引入传输零点，但是这种结构设计十分复杂，耦合膜片位置不固定，无法灵活控制传输零点位置，多数只能沿着H切割加工且导致加工误差^[1]；另一种通过多模或过模耦合谐振腔引入传输零点^[2]，但往往因为过高的高次模谐振腔级联时需要切角或者膜片的移动来使得滤波响应成形，增加了加工误差。同时，传统的基于TE模式的双模谐振腔的深宽比较大，如果采用关于H面对称的加工方式，加工方式会破坏波导壁电流进而恶化滤波器整体的传输性能，而通过H面腔体加盖板结构又会因为缝隙很容易造成加工误差。

因此，如何设计太赫兹波导滤波器，使其具有优异的带外抑制性能下还能易于加工，就成了研究热点。

[1]Ding J Q,Shi S C,Zhou K,et al.WR-3Band Quasi-Elliptical Waveguide Filters Usin g Higher Order Mode Resonances[J].IEEE Transactions on Terahertz Science&Technology,2017:1-8.

[2]Y.Xiao,P.Shan,K.Zhu,H.Sun and F.Yang,\"Analysis of a Novel Singlet and Its Application in THz Bandpass Filter Design,\"in IEEE Transactions on Terahertz Scienc e and Technology,vol.8,no.3,pp.312-320,May 2018,doi:10.1109/TTHZ.2018.2823541.

技术实现要素：

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于新型双模谐振腔的E面太赫兹波导滤波器。该波导滤波器创新性的使用TM120和TE101双模腔体，通过双模谐振能够引入零点，并且可以调整腔体的高度和宽度，从而调整零点位置、增加带外腔体的带外抑制度；除此之外，腔体结构简单，具有较小的腔体宽深比，可采用E面加工，降低加工误差。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于新型双模谐振腔的E面太赫兹波导滤波器，包括中心轴线位于同一直线上的输入波导、若干个膜片、若干个双模谐振腔、若干个单模谐振腔和输出波导；输入波导为滤波器的输入端，输出波导为滤波器的输出端，输入波导、输出波导、单模谐振腔和双模谐振腔均为矩形波导，其中，膜片设置于任意相邻两个矩形波导之间；

所述双模谐振腔关于波导的E面和H面对称，尺寸满足电磁波信号在腔体内传输时能够同时激励TM120和TE101模式谐振；所述单模谐振腔的尺寸满足电磁波信号在腔体内传输时能够激励TE101模式谐振。

进一步地，所述双模谐振腔的长为a、宽为b、高为z，具体尺寸关系满足以下公式：

其中，为TM120模式的频率，为TE101模式的频率，c为光速；所述双模谐振腔能产生零点，并且通过改变腔体的尺寸从而相应改变零点的位置。

进一步地，通过调整膜片的长度或宽度改变相邻两个谐振腔体的谐振频率f1和f2，从而调节谐振腔体之间的耦合系数，具体为，K＝(f1²-f2²)/(f1²+f2²)。

进一步地，与输入波导和输出波导相连的膜片的长度通过有载QL值决定，其中其中K01为输入波导或输出波导与相邻谐振腔之间的耦合系数。

进一步地，所述双模谐振腔腔体数量越少，太赫兹波导滤波器插损越小，带宽越窄。

进一步地，所述单模谐振腔的数量可以为0或者不为0。

进一步地，所述双模谐振腔与电场E面平行的面中的宽边设置为倒角形式，便于加工。

本发明的机理为：基于双模耦合产生零点的原理，通过设计腔体结构来使得TM120模与TE101模在同时在单腔体内激励谐振，以相同相位在输入端口输入激励时，由于两种模式磁力线在腔体内分布的不同，会使得二者在输出端口反向分布，因此相位相反产生零点，从而提升滤波器的带外抑制性能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提出了一种新型双模即TM101与TE120模的谐振腔，通过双模引入传输零点，能较好地实现带外抑制效果。

2.本发明设计的双模谐振腔关于H面向上向下凸出相同高度的矩形波导，结构简单易于仿真，腔体整体上下、前后对称，具有较小的宽深比，可以进行E面加工，减少加工误差；

附图说明

图1为本发明基于单个双模谐振腔的太赫兹波导滤波器的结构示意图。

图2为本发明太赫兹波导滤波器中双模谐振腔中的TM120和TE101模式分布图。

图3为本发明实施例1太赫兹波导滤波器的E面加工腔体装配。

图4为本发明太赫兹波导滤波器的S参数仿真图。

图5为本发明实施例1太赫兹波导滤波器的结构示意图。

图6为本发明实施例2太赫兹波导滤波器的结构示意图。

图7为本发明实施例1太赫兹波导滤波器的S参数仿真图。

图8为本发明实施例2太赫兹波导滤波器的S参数仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于单个新型双模谐振腔的E面太赫兹波导滤波器，其结构示意图如图1所示，包括依次连接且中心轴线位于同一直线上的输入波导1、第一膜片2、双模谐振腔3、第二膜片4和输出波导5；输入波导1、输出波导5和双模谐振腔3均为矩形波导；

所述双模谐振腔关于E面(指与电场方向平行的方向图切面)和H面(指与磁场方向平行的方向图切面)对称，尺寸满足电磁波信号在腔体内同时按照TM120和TE101模式谐振，两种模式的分布图如图2所示，其中，(a)为TM120模，(b)为TE101模。

所述双模谐振腔的长为a，宽为b，高为z，具体尺寸关系满足以下公式：

其中，为TM120模式的频率，为TE101模式的频率，c为光速，所述双模谐振腔能产生零点，并且通过改变腔体的尺寸从而相应改变零点的位置，零点的位置主要由两种模式相位的正负以及相对位置共同决定。

膜片对称设置于双模谐振腔宽边和高边构成的平面中心处；相邻谐振腔体间通过膜片来控制耦合强度，即通过调节膜片的长度或宽度改变相邻两个谐振腔体的谐振频率f1和f2，从而改变耦合系数，耦合系数k＝(f1²-f2²)/(f1²+f2²)，由此可以确定膜片大小；与输入波导和输出波导相连的膜片的长度通过有载QL值决定，其中

图1为本发明基于单个双模谐振腔的太赫兹波导滤波器的结构示意图，从图中可以看出，当窄边的长度b为较小值时，即双模谐振腔的深度较小，改变宽度a或者高度z即可改变双模频率，从而使得双模谐振腔具有较小的深宽比(b/a)，方便铣刀从E面加工。该结构相比于传统基于TE高阶模式的谐振腔体，需要较大的b边长度才能传输高阶TE模，相比于本发明中双模谐振腔的深宽比更大，不容易沿着E面加工。

图3为图1所述结构的E面装配图，整个腔体沿着E面中心切割，装配图分为上腔体(a)和下腔体(b)。若滤波器包括多个谐振腔体，则可以使各个腔体的b边保持同样的大小，整体对称，便于加工。

图4为本发明太赫兹波导由单个双模谐振腔体的滤波效果S参数仿真图。当谐振腔的尺寸参数具体为：b＝1.4mm，z＝1.48mm，l＝0.2mm，w＝0.55mm，输入输出为标准WR4波导，A＝1.092mm，B＝0.546mm，倒角统一为0.1mm。固定z与b不变，改变腔体a边的大小，TE101模谐振位置改变而TM120模谐振频率可以固定在220GHz。从图中可以看出单个腔体是可以产生两个不同模式的谐振点和一个传输零点，并且图(a)可以看出当fTE101<fTM120时，零点产生在上边带，从图(b)可以看出当fTE101>fTM120时，零点产生在下边带，仿真软件为HFSS.

实施例1

本实施例的太赫兹波导滤波器的结构如图5所示，包括依次连接且中心轴线位于同一直线上的输入波导6、第一膜片7、第一双模谐振腔8、第二膜片9、第一单模谐振腔10、第三膜片11、第二单模谐振腔12、第四膜片13、第二双模谐振腔14、第五膜片15和输出波导16。

本实施例为含有两个双模腔体四阶WR-4滤波器，该滤波器的S参数仿真图如图7所示。从图中可以看出S参数图分别产生左右两个零点和六个极点，回波大于20B，外抑制可以均可50dB，具有较好矩形系数。其滤波器具体尺寸为:z_8＝1.519mm，z_10＝z_12＝0.91mm，z_14＝1.438mm，a_8＝0.639mm，a_10＝0.638mm，a_12＝0.64mm，a_14＝0.689mm，l_7＝0.138mm，l_9＝0.527mm，l_11＝0.512mm，l_13＝0.533mm，l_15＝0.1mm，w_7＝0.573mm，w_9＝w_11＝w_13＝0.55mm，w_15＝0.534mm,膜片与谐振腔b边相同，即统一为b＝1.4mm,输入输出为标准WR4波导，即A_6＝A_16＝1.092mm，B_6＝B_6＝0.546mm，倒角统一为0.1mm，仿真软件为HFSS。

实施例2

本实施例的太赫兹波导滤波器的结构如图6所示，包括依次连接且中心轴线位于同一直线上的输入波导、第一膜片、第一单模谐振腔、第二膜片、第二单模谐振腔、第三膜片、双模谐振腔、第四膜片、第三单模谐振腔、第五膜片、第四单模谐振腔、第六膜片和输出波导。

本实施例滤波器的S参数仿真图如图8所示。因为整个设计是含有一个双模腔的五阶WR-2.8滤波器，因此S参数图中产生一个零点和六个极点，腔体左右带外抑制在45dB。同样具有较好的带外抑制特性性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。