小型化复合左右手结构宽带滤波器的制作方法

本发明属于微波电路领域，具体涉及一种小型化复合左右手结构宽带滤波器。

背景技术：

相较于传统的右手材料，左手材料具有逆向或反向效应，支持后向波传播。由于它独特的负折射率、逆多普勒效应、亚波长衍射、逆切伦科夫辐射等电磁特性，使其具有广泛的应用前景，世界范围内左手材料的广泛研究也推动了尤其在微波器件中的相关应用。由于其介电系数和磁导率为负，能量与波矢量方向相反，所以具有左手定则。

传统的微波带通滤波器采用的是平行耦合线滤波器或者交指型滤波器，在传统谐振电路中，串联谐振器一般由1/2波长的导波结构来实现，并联谐振器由1/4波长的导波结构来实现。对于微带结构的平行耦合线滤波器而言，采用1/2波长的微带线实现。对于微带结构的交指型滤波器而言，采用1/4波长的微带线实现，对于电路小型化，上述的谐振单元尺寸偏大，不利于实现滤波器的小型化。

现有的平面结构滤波器里，为了实现宽带带通滤波器，谐振单元之间必须采用强耦合，这样谐振单元之间的距离就很小，照成加工上的困难，所以，在高频运用中，宽带滤波器的结构选择和加工精度之间有很强的制约关系。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种小型化复合左右手结构宽带滤波器。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种小型化复合左右手结构宽带滤波器，从下至上依次包括背面覆铜层、介质基板、正面电路，正面电路包括五个一端短路一端开路的复合左右手传输线谐振器，每个复合左右手传输线谐振器包括交指部分、与交指部分连接的直微带线，交指部分和直微带线的两侧各有一个通孔焊盘，通孔焊盘的中心是用于接地的金属化通孔，所述五个复合左右手传输线谐振器平行竖直排列，其中相邻的两个谐振器的交指部分和直微带线上下交替排列，直微带线的长度大于等于交指部分的长度，交指部分的宽度大于直微带线的宽度，位于左右两端的谐振器的直微带线上分别连接两条50Ω的微带线用作输入输出端口。

相邻的两个谐振器的交指部分和直微带线上下交替排列，即当一个谐振器交指部分在下方时，下一个谐振器交指部分在上方。这样耦合度更大，两个谐振器之间通过等效电容耦合。

因为交指部分等效电路里电容量比较小，等效电感也比较小，所以交指长度比较短，交指数多，这样交指宽度自然就大。

作为优选方式，交指部分的宽度和直微带线的宽度之比为1:1～2:1。所述范围是实验优化的结果。

作为优选方式，交指部分的长度和直微带线的长度之比为1:1-1:1.5。所述范围是实验优化的结果。

作为优选方式，所述各金属化通孔的直径都小于λ_g/8，λ_g为本滤波器的波导波长。通孔直径小于λ_g/8，才能实现良好的接地。

作为优选方式，通孔焊盘的长度和宽度大于金属化通孔的直径0.2mm以上。

作为优选方式，金属化通孔是指孔壁上用化学镀或电镀方法镀上一层导电金属的孔。

作为优选方式，介质基板的材料为罗杰斯5880。

本发明的工作原理如下：复合左右手传输线的一个单元的一端开路，一端由接地通孔短接到地，其原本一侧向下的一个微带线分支因短路而被去掉。该含有一个单元的复合左右手传输线谐振器将有两个谐振模式，即n＝1(正1阶)和n＝-1(负1阶)，这两个谐振模式所对应的电长度分别为π/2和-π/2。将M＝1和n＝±1代入式(1)中，其谐振频率可以表示为，：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]+\sqrt{{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]}^2-4{\mathrm{\ω}}_{se}^2}{\mathrm{\ω}}_{sh}^2}{2}---\left(1\right)$

其中ω_sh与ω_se分别表征的是等效电路中的并联谐振角频率和串联谐振角频率

${\mathrm{\ω}}_{sh}=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_L}},{\mathrm{\ω}}_{se}=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_R}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_R=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_R}}---\left(3\right)$

该式所得到的两个正的谐振频率中，较低的那个对应于n＝-1的谐振模式，较高的那个对应于n＝1的那个谐振模式。从式(1)可以看出，该含一个单元的一端短路一端开路的复合左右手传输线谐振器的两个谐振模式与它的等效电路中所含的串联谐振模式和并联谐振模式完全不同，它们是串联谐振与并联谐振混合的结果。复合左右手传输线谐振器的低阶谐振模式的谐振频率比对应电路中的串联谐振模式的谐振频率和并联谐振模式的谐振频率都要低。在传统谐振电路中，串联谐振器一般由1/2波长的导波结构来实现，并联谐振器由1/4波长的导波结构来实现。因为复合左右手传输线谐振器的低阶谐振模式的谐振频率比其电路中对应的串联谐振模式的谐振频率和并联谐振模式的谐振频率都要低，所以在实现该复合左右手传输线的物理结构时，其对应尺寸大小将比单纯的1/2波长的导波结构以及1/4波长的导波结构的尺寸都要小，因此，含一个单元的一端短路一端开路的复合左右手传输线谐振器将能在小型化的微波元件中找到它的应用。

本发明的有益效果为：本发明含有新型的复合左右手传输线谐振器，与传统谐振器相比，更加紧凑小型。同时，同时5个谐振器相对平行排布，相邻的两个谐振器的交指部分和直微带线上下交替排列，谐振单元之间产生了强耦合，比普通谐振单元的耦合更强，有利于构成宽带带通滤波器，在实现宽带带通特性的情况下，极大的减小了尺寸。

附图说明

图1为本发明的层状结构示意图。

图2为本发明的立体结构图。

图3为本发明复合左右手传输线谐振器的结构图。

图4为本发明复合左右手传输线谐振器的等效电路图。

图5为本发明俯视图。

图6为本发明滤波器S参数仿真图。

图7为本发明滤波器S参数测试图。

图8为本发明滤波器一个实施例的尺寸图。

图9为传统平行线滤波器尺寸图。

图10为传统平行线滤波器S参数仿真图。

图中：1为背面覆铜层，2为介质基板，3为正面电路，41和42为50Ω的微带线，51～55为5个复合左右手传输线谐振器，6为金属化通孔，7为交指部分，8为直微带线，9为通孔焊盘。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种小型化复合左右手结构宽带滤波器，从下至上依次包括背面覆铜层1、介质基板2、正面电路3，正面电路3包括5个一端短路一端开路的复合左右手传输线谐振器51～55，每个复合左右手传输线谐振器包括交指部分7、与交指部分7连接的直微带线8，交指部分7和直微带线8的两侧各有一个通孔焊盘9，通孔焊盘9的中心是用于接地的金属化通孔6，所述五个复合左右手传输线谐振器平行竖直排列，其中相邻的两个谐振器的交指部分和直微带线8上下交替排列，直微带线8的长度大于等于交指部分7的长度，交指部分7的宽度大于直微带线8的宽度，位于左右两端的谐振器的直微带线8上分别连接两条50Ω的微带线41、42用作输入输出端口。

相邻的两个谐振器的交指部分和直微带线8上下交替排列，即当一个谐振器交指部分在下方时，下一个谐振器交指部分在上方。这样耦合度更大，两个谐振器之间通过等效电容耦合。

因为交指部分等效电路里电容量比较小，等效电感也比较小，所以交指长度比较短，交指数多，这样交指宽度自然就大。

优选的，交指部分7的宽度和直微带线8的宽度之比为1:1～2:1。所述范围是实验优化的结果。

优选的，交指部分7的长度和直微带线8的长度之比为1:1-1:1.5。所述范围是实验优化的结果。

优选的，所述各金属化通孔的直径都小于λ_g/8，λ_g为本滤波器的波导波长。通孔直径小于λ_g/8，才能实现良好的接地。

优选的，通孔焊盘9的长度和宽度大于金属化通孔6的直径0.2mm以上。

优选的，金属化通孔6是指孔壁上用化学镀或电镀方法镀上一层导电金属的孔。

优选的，介质基板2的材料为罗杰斯5880。

图4为本发明复合左右手传输线谐振器的等效电路图，L_R和C_L是交指部分等效电路图，C_R/2和2L_L是直微带的等效电路图，Open是交指和直微带交界处。

滤波器的三维结构图如图2所示，俯视图如图5所示。仿真结果如图6所示，可以看出，该滤波器的中心频率14GHz，通带4GHz，相对带宽28％，为宽带带通滤波器。图7为该滤波器的测试结果，通过测试结果与仿真结果对比可以看出，该滤波器能够满足宽带滤波要求。

图8为该滤波器的尺寸图，作为对比，图9为传统平行线滤波器的尺寸图，可以看出，使用了新型复合左右手谐振单元构成的滤波器在总体尺寸上比传统结构滤波器尺寸小，图10为图9对应的传统平行线滤波器仿真结构，可以看出传统滤波器在指标与新型复合左右手谐振单元构成的滤波器相同的情况下，尺寸更大。

本发明对每一层厚度，材料没有具体要求，可根据具体情况进行设计，常见低损耗射频介质板均可满足要求。

本发明的工作原理如下：复合左右手传输线的一个单元的一端开路，一端由接地通孔短接到地，其原本一侧向下的一个微带线分支因短路而被去掉。该含有一个单元的复合左右手传输线谐振器将有两个谐振模式，即n＝1(正1阶)和n＝-1(负1阶)，这两个谐振模式所对应的电长度分别为π/2和-π/2。将M＝1和n＝±1代入式(1)中，其谐振频率可以表示为，：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]+\sqrt{{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]}^2-4{\mathrm{\ω}}_{se}^2}{\mathrm{\ω}}_{sh}^2}{2}---\left(1\right)$

其中ω_sh与ω_se分别表征的是等效电路中的并联谐振角频率和串联谐振角频率

${\mathrm{\ω}}_{sh}=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_L}},{\mathrm{\ω}}_{se}=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_R}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_R=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_R}}---\left(3\right)$

该式所得到的两个正的谐振频率中，较低的那个对应于n＝-1的谐振模式，较高的那个对应于n＝1的那个谐振模式。从式(1)可以看出，该含一个单元的一端短路一端开路的复合左右手传输线谐振器的两个谐振模式与它的等效电路中所含的串联谐振模式和并联谐振模式完全不同，它们是串联谐振与并联谐振混合的结果。复合左右手传输线谐振器的低阶谐振模式的谐振频率比对应电路中的串联谐振模式的谐振频率和并联谐振模式的谐振频率都要低。在传统谐振电路中，串联谐振器一般由1/2波长的导波结构来实现，并联谐振器由1/4波长的导波结构来实现。因为复合左右手传输线谐振器的低阶谐振模式的谐振频率比其电路中对应的串联谐振模式的谐振频率和并联谐振模式的谐振频率都要低，所以在实现该复合左右手传输线的物理结构时，其对应尺寸大小将比单纯的1/2波长的导波结构以及1/4波长的导波结构的尺寸都要小，因此，含一个单元的一端短路一端开路的复合左右手传输线谐振器将能在小型化的微波元件中找到它的应用。

本发明含有新型的复合左右手谐振单元，与传统谐振器相比，更加紧凑小型。同时，同时5个谐振单元相对平行排布，相邻的两个谐振器的交指部分和直微带线8上下交替排列，谐振单元之间产生了强耦合，比普通谐振单元的耦合更强，有利于构成宽带带通滤波器，在实现宽带带通特性的情况下，极大的减小了尺寸。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。