一种基于非布拉格共振的双通道滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明属于滤波技术领域，具体是指一种由周期结构引入缺陷，从而在非布拉格禁带中产生两个透射峰的双通道滤波器。一种基于非布拉格共振的双通道滤波器，由两个规格参数相同并具有一定周期结构管壁的管状金属波导，和一个环状金属缺陷组成，环状金属缺陷的位置在两个具有相同结构的管状金属波导中间，通过螺纹相连接。本发明用全新的基于非布拉格共振的原理实现双通道滤波。滤波带宽窄，滤波效果好。新型的高效、低声耗滤波器。通过改变波导结构参数，可有效调控滤波器工作频率。由于其制作工艺简单可广泛应用于声功能器件等方面。
【专利说明】
一种基于非布拉格共振的双通道滤波器
技术领域
[0001] 本发明属于滤波技术领域，具体涉及一种由周期结构引入缺陷，从而在非布拉格 禁带中产生两个透射峰的基于非布拉格共振的双通道滤波器。
【背景技术】
[0002] 声波与周期结构的相互作用问题长期以来一直受到各国研究员的关注和重视，无 论是在消声降噪，声学滤波，还是在最近热门的声二极管等生产实践和工程应用领域，均有 着广阔的发展前景。
[0003] 声波在周期结构中的传播问题可以追溯1883年Floquet关于一维Mathieus方程的 研究。1887年，Ray 1 e i gh率先研究了连续周期结构中波的传播特性，指出在连续周期结构中 存在无波传播模式的频率范围。1953年，Bri 1 louin对波在周期材料中的传播特性进行了系 统深入的研究。20世纪后期，周期结构波导中的声传播问题得到了广泛关注。Nayfeh利用多 尺度产开法很好地解决了周期结构中的共振问题;Bostrom利用Null-Field方法研究了低 阶波导模式的频带；Bradley则研究了周期波导中的线性问题和耗散问题。1993年， Kushwaha等类比光子晶体第一次明确提出声子晶体的概念，并对镍柱在铝合金基底中形成 的复合介质采用平面波展开方法获得了在剪切极化方向的弹性波禁带。1995年，Martinez-Sala等第一次从实验角度证实了弹性波禁带的存在。
[0004] 近年来，通过在周期结构中加入缺陷的滤波器也在很多领域申请了专利。2009年， 南京大学在申请的专利中介绍了一种基于含缺陷折射率层状周期结构的动态可调滤波器。 其特点是在有缺陷的折射率周期性调制的层状周期结构中通过不同方式导入一定频率和 强度的声波，通过声波强度的变化调制层状周期结构中传播的缺陷模式的波长，通过声波 波长的变化达到单波长-多波长输出的效果。2012年，太原理工大学在申请的专利中描述了 一维光子晶体双通道可见光波段窄带滤波器。滤波器中由介电材料A/B构成的一维光子晶 体的晶格常数保持不变，仅通过调整缺陷层的厚度即可实现在可见光波段同时产生两个滤 波通道。该滤波器为带有缺陷层的一维光子晶体滤波器，缺陷层厚度小于一维光子晶体的 晶格常数，能够实现波长从413nm到626nm可见光波段范围的双通道滤波。2015年，中山大学 在申请的专利中公开了一维多层膜结构的多通道滤波器及其设计方法。在多层膜结构中掺 入一个中心缺陷层C或至少两个完全相同的缺陷层C，以及两个侧边缺陷层D;侧边缺陷层D 与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，N大于或等于6;调节缺陷层C的参数，使多层膜结构形成Μ 通道滤波器。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是在非布拉格共振理论的基础之上，通过在周期结构中加入缺陷， 使原周期结构产生的非布拉格禁带中产生两个透射峰，从而形成一种窄带的基于非布拉格 共振的双通道滤波器。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] -种基于非布拉格共振的双通道滤波器，由两个规格参数相同并具有一定周期结 构管壁的管状金属波导，和一个环状金属缺陷组成，环状金属缺陷的位置在两个具有相同 结构的管状金属波导中间，通过螺纹相连接。
[0008] 所述管状金属波导的周期长度λ与平均半径ro相等，周期起伏参数￡=0.1^)，即细 管内径为ro-ε，粗管内径为ro+ε ;两个金属管状周期波导管壁的周期个数各为5个;可通过方 法一：固定缺陷长度L = 0.7 Λ，改变缺陷半径R= (0.4，0.5，0.6··· 1 )r〇，或方法二：固定缺陷 半径R = 0.9r〇,改变缺陷长度L= (0.5-0.8) Λ，来改变双通道滤波的频率。
[0009] 所述的周期结构的管状金属波导的管壁材料是不锈钢或混凝土材料，材料厚度大 于4毫米;所述的环状金属缺陷是与周期结构波导材料相同、厚度相同的金属圆环;管状金 属内部中空。
[0010]本发明的有益效果在于：
[0011] 1、用全新的基于非布拉格共振的原理实现双通道滤波。
[0012] 2、滤波带宽窄，滤波效果好。
[0013] 3、新型的高效、低声耗滤波器。
[0014] 4、通过改变波导结构参数，可有效调控滤波器工作频率。
[0015] 5、由于其制作工艺简单可广泛应用于声功能器件等方面。
【附图说明】
[0016] 图1为基于非布拉格禁带的双通道滤波器的结构示意图。
[0017] 图2为组成双通道滤波器的周期结构波导的色散曲线。
[0018] 图3为双通道滤波器的透射频谱图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0020] 本发明提供一种基于非布拉格共振的双通道滤波器。它是一种金属制的管状波 导，其管壁具有一定的周期结构，金属管中填充有空气。在两个周期结构完全相同的波导中 间加入一段缺陷，就会破坏原周期结构的完整性，从而使声波能量局域化，产生缺陷模。当 声波入射时，声波能量在缺陷处积累，并在原周期结构波导产生的非布拉格禁带中，产生两 个较窄的频率通带，从而实现了双通道滤波的功能。本发明利用了一种基于非布拉格共振 的全新的原理，是一种新型的高效、低耗声双通道滤波器，并以其简单的制作工艺在声功能 器件等方面有着潜在的广阔应用前景。
[0021] 它是由两个规格参数相同，并具有一定周期结构管壁的管状金属波导，和一个环 状金属缺陷组成，缺陷的位置在这两个具有相同结构的波导中间，两波导与缺陷通过螺纹 相连接。在没有加入缺陷即两个波导直接相连时，由于周期结构产生的非布拉格共振的影 响，会使谱带断裂，产生非布拉格禁带。而当加入缺陷后，周期结构的完整性被破坏，使声波 局域化形成缺陷模，并且在原周期结构产生的非布拉格禁带中产生两个透射峰。调整金属 波导管壁的尺寸可以调整非布拉格禁带的频率范围。调整结构的尺寸可以方便、有效地改 变滤波器的工作频率。见说明书附图1，在两个相同参数的周期的金属管状波导中间，加入 一个金属环状缺陷。金属管状周期波导的周期长度Λ与其平均半径 rQ相等，周期起伏参数ε = 0.1r〇,即细管内径为ro-ε，粗管内径为ro+ε。两个金属管状周期波导管壁的周期个数各为 5个。可通过方法一：固定缺陷长度L = 0.7 Λ，改变缺陷半径R= (0.4,0.5,0.6··· l)r〇,或方 法二：固定缺陷半径R = 〇 . 9r〇，改变缺陷长度L= (0.5-0.8) Λ，来改变双通道滤波的频率， 滤波器的尺寸也可在满足上述条件下，根据需求来选择。见说明书附图1为滤波器组装图， 第一个具有周期结构金属管状波导通过螺纹与缺陷的一端连接，缺陷的另一端再通过螺纹 与另一个具有相同结构参数的金属管波导相连。
[0022]周期结构管状金属波导的管壁材料可以是不锈钢或混凝土等声阻抗较大的材料， 材料厚度大于4毫米。缺陷是与周期结构波导材料相同、厚度相同的金属圆环。波导内部中 空，无需添加其他材料。
[0023]与传统的基于布拉格共振理论的滤波器相比，基于非布拉格共振理论的滤波器不 仅可以实现双通道滤波，而且非布拉格禁带中的透射峰更窄，滤波器滤波效果更好。
[0024] 双通道滤波器结构组装图用Visio绘制，详见说明书附图1。其结构为两段相同周 期参数的变截面金属管波导和二者中间一段直金属管组成，金属管波导与缺陷之间均通过 螺纹紧密连接。
[0025] 管壁呈周期起伏变化的声波导，对某些频率的声波呈导通状态，从而形成通带;但 对某些频率的声波呈阻断状态，从而形成禁带。这种声波导管壁的周期性可产生复杂的声 波传输模式和频谱结构。当通过周期波导的频率小于高阶模的截止频率时，在波导内只有 基模传输，当频率增大到超过高阶模的截止频率时，便会激发出高阶模。在波导中，布拉格 共振是由基模相互作用产生的，而非布拉格共振是由基模和高阶模相互作用产生的。布拉 格共振与非布拉格共振都会使谱带分裂，从而形成布拉格禁带和非布拉格禁带。
[0026] 布拉格共振与非布拉格共振的频率与周期起伏结构参数之间的关系如下：
[0027]
[0028] 其中，c为声速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为一阶Bessel函数 的零点，P = (U j,"二{α 3.831入7.0156,10.1735..…丨.r?是周期变截面波导的平均内径，Λ是 波导的周期长度，β是传播常数，η是Bragg共振的阶数，η的取值为0，1，2,3···
[0029] 在具有特定周期结构的波导中，由于其结构的规则性，使其具有禁带和通带的特 性。引入缺陷后，会在局部破坏其原有的周期性，并产生新的谱带结构，由缺陷产生的频率 通带会出现在无缺陷时的禁带范围内，这些禁带中的新通带被称为缺陷态，相应的本征模 被称为缺陷模。由于缺陷模的频率处于无缺陷结构的禁带中，导致大量的声能量都被局域 在缺陷当中，并由于强烈的共振作用又使得声波在原非布拉格禁带中传播。在我们所设计 的周期波导结构中，非布拉格禁带中会产生两个缺陷模，从而实现了声学双通道滤波的功 能。
[0030] 图1为基于非布拉格禁带的双通道滤波器的结构，它是由两段具有相同周期结构 参数的变截面金属管状波导，和二者中间一段直金属管缺陷组成，周期波导与缺陷均由螺 纹相连接，声波从滤波器左端入射。
[0031] λ为周期结构波导的周期长度 [0032] Π )为周期结构波导的平均内径
[0033] ε为周期起伏参数，取ε=〇· lro
[0034] L为缺陷的长度
[0035] R为缺陷的半径
[0036] 如图2所示，蓝色实线为基模的参考曲线，红色实线为一阶模的参考曲线，虚线为 具有周期结构波导的色散曲线。由于周期结构的影响，会使基模与一阶模相互作用，产生非 布拉格共振，从而使谱带发生断裂，形成非布拉格禁带，频率范围在3400-4000HZ左右。
[0037] 如图3所示，在周期结构波导中引入缺陷后，会在原非布拉格禁带频率范围内出现 两个透射峰，从而实现了双通道滤波。并且透射峰的带宽较窄，滤波效果较好。
[0038] 在图1的滤波器结构中，周期波导的周期长度Λ与波导的平均半径rQ相等，波导的 周期起伏参数ε=〇.?Λ。可固定缺陷长度L = 0.7A，改变缺陷半径R=(0.4,0.5,0.6~l) ro，或固定缺陷半径R = 0.9，改变缺陷长度L= (0.5,0.6,0.7,0.8)Λ。缺陷两端各有一个具 有周期结构的波导，周期个数为五，只要满足上述条件，滤波器尺寸可根据需要进行选择。 波导与周期结构均通过螺纹相连接。
[0039] 在图3中，以缺陷长度为0.8 Λ，缺陷半径为〇.9r〇的双通道滤波器为例，左边相对 低频的透射峰记为第一个透射峰，右边相对高频的透射峰记为第二个透射峰。第一个透射 峰的中心频率为3457Hz，透射峰的高度（即透过率)为0.76，半强频宽为2.5Hz ;第二个透射 峰的中心频率为3879Hz。透射峰的高度（即透过率)为0.56，半强频宽为2Hz。
【主权项】
1. 一种基于非布拉格共振的双通道滤波器，其特征是：由两个规格参数相同并具有一 定周期结构管壁的管状金属波导，和一个环状金属缺陷组成，环状金属缺陷的位置在两个 具有相同结构的管状金属波导中间，通过螺纹相连接。2. 根据权利要求1所述的一种基于非布拉格共振的双通道滤波器，其特征是:所述管状 金属波导的周期长度Λ与平均半径rQ相等，周期起伏参数ε =〇 . lrQ，即细管内径为m，粗 管内径为ro+ε;两个金属管状周期波导管壁的周期个数各为5个;可通过方法一：固定缺陷 长度L = 0.7A，改变缺陷半径1?=(0.4,0.5,0.6-1)^)，或方法二：固定缺陷半径1? = 0.9^)， 改变缺陷长度L= (0.5-0.8) Λ，来改变双通道滤波的频率。3. 根据权利要求2所述的一种基于非布拉格共振的双通道滤波器，其特征是:所述的周 期结构的管状金属波导的管壁材料是不锈钢或混凝土材料，材料厚度大于4毫米;所述的环 状金属缺陷是与周期结构波导材料相同、厚度相同的金属圆环;管状金属内部中空。
【文档编号】G06F17/50GK105975717SQ201610356562
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】樊亚仙, 刘婷, 桑汤庆, 赵秋玉, 张鹭, 陶智勇
【申请人】哈尔滨工程大学