一种基于超材料技术的多频段波导滤波器的制作方法

本发明涉及多频段滤波技术领域，具体涉及一种基于超材料技术的多频段波导滤波器。

背景技术：

随着微波技术的不断发展，无线电系统和设备快速增多，电磁环境呈现日益复杂化的态势，电子系统内部的电磁自扰，电子系统间的电磁互扰等问题逐渐增多。特别是，受到例如汽车、舰船、飞机和卫星等载荷平台的空间限制，多个工作于不同频段，具有不同功能的电子系统往往同时工作于一个狭小的空间，这要求电子系统可以有效抑制多个频段的电磁干扰，给电子系统的抗干扰设计提出了更高的要求。

在电子系统中引入滤波器是一种有效提高电子系统抗干扰性能的方法。为使电子系统可以抑制多个频段的电磁干扰，要求滤波器具备多频段滤波能力。现有的滤波器大多采用等效电路设计来实现滤波效果，不同形式的微波传输线均可实现滤波功能。常见的微波传输线有微带线、带状线和金属波导等。

但现有滤波器中的等效电路设计较为复杂，随着工作频段的不断提高，介质损耗越发增加，同时影响电子系统的小型化设计。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于超材料技术的多频段波导滤波器，包括矩形波导、第一金属柱和第二金属柱，所述矩形波导的两端设置有开口的所述输入端口和所述输出端口；所述第一金属柱和所述第二金属柱设置在所述矩形波导底部，且设置于所述输入端口和所述输出端口之间；所述第一金属柱和所述第二金属柱呈周期性排列，并沿所述矩形波导的纵向交替排布。

较佳的，所述输入端口和所述输出端口之间设置有若干横槽和横筋，所述横槽和所述横筋在所述矩形波导底部均匀交替设置；各所述横槽内均设置有若干所述第一金属柱，各所述横筋上均设置有若干所述第二金属柱；且同一所述横槽内的所述第一金属柱等距设置；同一所述横筋上的所述第二金属柱等距设置。

较佳的，所述第一金属柱设置在所述横槽中心线位置处，所述第二金属柱设置在所述横筋中心线位置处。

较佳的，在所述输入端口和所述输出端口位置处均设置有金属内壁，所述第一金属柱的第一上表面、所述第二金属柱的第二上表面与所述金属内壁处于同一平面，从而形成不连续金属面。

较佳的，所述第一金属柱、所述第二金属柱的横截面均为正方形。

较佳的，所述基于超材料技术的多频段波导滤波器的设置参数包括工作频段、低频抑制频段和二个以上高频抑制频段；根据所述工作频带和所述低频抑制频段中最高频率确定所述矩形波导的横截面尺寸；根据所述高频抑制频段确定所述第一金属柱和所述第二金属柱的尺寸。

较佳的，所述矩形波导的尺寸选择范围为；

0.5λ≤a≤λ，0＜b≤0.5λ

其中，λ为所述工作频段的工作频率波长；a为所述矩形波导横截面的长度尺寸；b为所述矩形波导横截面的高度尺寸。

较佳的，所述矩形波导的尺寸需满足条件；

a≤0.5λstop1h

其中，λstop1h为低频抑制频段中最高频率的波长，a为所述矩形波导横截面的长度尺寸。

较佳的，所述高频抑制频段包括第一高频阻带和第二高频阻带，所述第一高频阻带的频率小于所述第二高频阻带的频率，所述第一金属柱的高度尺寸为所述第一高频阻带中心频率的四分之一波长；所述第二金属柱的高度尺寸为所述第二高频阻带中心频率的四分之一波长。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器利用超材料技术实现滤波功能，结构简单紧凑，设计过程简单，并不需要复杂的多频段滤波器等效电路设计及其微波电路实现，体积小，重量轻，便于电子系统实现小型化；2，本发明实现工作频带外三频段的抑制，表现为一个低频段的高通滤波和两个高频段的带阻滤波，在工作频段上低损耗传输电磁波的同时对三个抑制频段的抑制度均可达40db以上；3，本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器为全金属结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广。

附图说明

图1为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器的立体结构图；

图2为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器的俯视剖面图；

图3为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器的侧视剖面图；

图4为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器实施例一中宽带传输特性的仿真结果图。

图中数字表示：

1-矩形波导；2-第一金属柱；3-第二金属柱；4-第一上表面；5-第二上表面；6-端口内壁；7-输入端口；8-输出端口；9-不连续金属面；10-上部金属内壁；11-横槽；12-横筋。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1、图2、图3所示，图1为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器的立体结构图；图2为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器的俯视剖面图；图3为本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器的侧视剖面图。

所述基于超材料技术的多频段波导滤波器包括矩形波导1以及呈周期性交替分布于所述矩形波导1底部的第一金属柱2和第二金属柱3。所述矩形波导1设置有输入端口7和输出端口8，所述输入端口7和所述输出端口8为开口设置；电子系统通过所述输入端口7接入并通过所述输出端口8接出。

所述输入端口7和所述输出端口8之间设置有若干横槽11和横筋12，所述横槽11和所述横筋12在所述矩形波导1底部均匀交替设置。各所述横槽11内均设置有若干所述第一金属柱2，各所述横筋12上均设置有若干所述第二金属柱3；且同一所述横槽11内的所述第一金属柱2等距设置；同一所述横筋12上的所述第二金属柱3等距设置。所述第一金属柱2设置在所述横槽11中心线位置处，所述第二金属柱3设置在所述横筋12中心线位置处，即所述第一金属柱2到所述横槽11两边缘线等距，所述第二金属柱3到所述横筋12两边缘线等距；从而实现所述第一金属柱2和所述第二金属柱3的周期性交替分布。

所述矩形波导横截面的长度尺寸为a、高度尺寸为b。所述第一金属柱2的横截面为正方形，所述横截面边长为w1，所述第一金属柱2的高度尺寸为h1；所述第一金属柱2之间的周期性间隔，即所述横槽11宽度尺寸为p1。所述第二金属柱3的横截面为正方形，所述横截面边长为w2，所述第二金属柱3的高度尺寸为h2；所述第二金属柱3之间的周期性间隔，即所述横筋12宽度尺寸为p2。

在所述输入端口7和所述输出端口8位置处均设置有端口内壁6，所述第一金属柱2的第一上表面4、所述第二金属柱3的第二上表面5与所述端口内壁6处于同一平面，从而形成不连续金属面9。

本发明所述基于超材料技术的多频段波导滤波器的设置参数一般包括工作频段、低频抑制频段和二个以上高频抑制频段。

所述矩形波导1横截面尺寸的选取与所述工作频段、所述低频抑制频段相关。所述第一金属柱2和所述第二金属柱3的尺寸选取与所述高频抑制频段相关。

具体设计时，需要给出技术指标，通常为工作频段、干扰抑制频段以及抑制度要求，根据技术指标，进行相应的多频段波导滤波器设计。

所述矩形波导1的上部金属壁、左右金属壁和所述不连续金属面9构成具有矩形截面的电磁波传输空间。在所述工作频带，所述不连续金属面9表现为近似理想电导体，整个所述电磁波传输空间的性质与传统矩形波导管相似，可以高效传输电磁波；在所述低频抑制频带，所述不连续金属面9仍然表现为近似理想电导体，整个所述电磁波传输空间的性质与传统矩形波导管相似，但此时，干扰电磁波的频段位于矩形波导管的截至频率以下，利用矩形波导管的高通滤波特性，实现对处于所述低频抑制频带的低频干扰电磁波进行抑制作用；在一个高频抑制频段，所述第一金属柱2的第一上表面4表现为近似理想磁导体，所述第一金属柱2的第一上表面4与所述矩形波导1的上部金属内壁10构成近似平行板传输线的结构，因所述平行板传输线的下底面周期性地分布有理想磁导体，故对处于所述高频抑制频段的电磁波传输起到抑制作用；在另一个高频抑制频段，类似地，所述第二金属柱3的第二上表面5表现为近似理想磁导体，所述第二金属柱3的第二上表面5与所述矩形波导1的上部金属内壁10构成近似平行板传输线的结构，因所述平行板传输线的下底面周期性地分布有理想磁导体，故对该频段电磁波的传输起到抑制作用。

所述矩形波导1以及其底部宽边呈周期性分布的所述第一金属柱2和所述第二金属柱3形成具有一个低频段高通滤波特性和两个高频段带阻滤波特性的多频段波导滤波器。

本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器利用超材料技术实现滤波功能，结构简单紧凑，设计过程简单，并不需要复杂的多频段滤波器等效电路设计及其微波电路实现，体积小，重量轻，便于电子系统实现小型化；本发明实现工作频带外三频段的抑制，表现为一个低频段的高通滤波和两个高频段的带阻滤波，在工作频段上低损耗传输电磁波的同时对三个抑制频段的抑制度均可达40db以上；本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器为全金属结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广。

实施例一

在实施例中本发明所述基于超材料技术的多频段波导滤波器为具有三个抑制频段的低损耗滤波器，所述抑制频段包括一个低频阻带和二个高频阻带。

具体的，给定所述多频段波导滤波器的工作频段fl～fh为s波段的2～3.5ghz，所述低频抑制频段中最高频fstop1h为l波段的1.7ghz；其中，一所述高频抑制频段fstop2l～fstop2h为c波段的5.0～6.8ghz，另一所述高频抑制频段fstop3l～fstop3h为x波段的8.1～9.4ghz，所述低频抑制频段和所述高频抑制频段内的阻带抑制度均要求大于40db。

在本实施例中对应所述基于超材料技术的多频段波导滤波器具体参数确定如下：

根据所述工作频带fl～fh和所述低频抑制频段中最高频率fstop1h可以确定所述矩形波导1的横截面尺寸a和b。

通常，考虑到抑制高次模、降低损耗和保证传输功率，所述矩形波导1的尺寸选择范围为：

0.5λ≤a≤λ，0＜b≤0.5λ

其中，λ为工作频段fl～fh的工作频率波长；a为所述矩形波导横截面的长度尺寸；b为所述矩形波导横截面的高度尺寸。

按工作频率的最大波长计算，a取值在75.0～150.0mm之间，b取值在0～75.0mm之间。

考虑到对低频段干扰的抑制和相应的抑制度要求，还需满足条件；

a≤0.5λstop1h

其中，λstop1h为低频抑制频段中最高频率fstop1h的波长。

故在本实施例中，a的取值小于88.2mm。

经综合考虑，a选择为80.0mm，b选择为9.2mm。

所述第一金属柱2和所述第二金属柱3的设计与所述高频抑制频段的要求相关；具体的，所述第一金属柱2的尺寸与频率较低的所述高频抑制频段的要求有关，即与本实施例中的c波段的阻带要求有关，而所述第二金属柱3的尺寸与频率较高的所述高频抑制频段的要求有关，即与本例中的x波段的阻带要求有关。

其中，h1和h2的取值通常为相应所述高频抑制频段中心频率的四分之一波长，p1、w1和p2、w2的取值与相应阻带的带宽要求相关。由于所述第一金属柱2和所述第二金属柱3之间存在互偶，上述尺寸的取值需要一定程度的优化。经过优化设计，本实施例中所述第一金属柱2和所述第二金属柱3的尺寸为：w1＝10.0mm，h1＝13.5mm，p1＝16.0mm，w2＝4mm，h2＝6.5mm，p2＝8mm。

图4为经优化设计后本实施例所述多频波导滤波器的传输特性曲线的仿真结果图。由图4可知，在本实施例设定值的情况下，在工作频率范围内，其中传输特性s21的值优于-0.1db，十分接近0db，表明本发明基于超材料技术的多频段波导滤波器可以在工作频段fl～fh内低损耗传输电磁波，插入损耗小于0.1db。同时，在低于工作频段的一个低频抑制频段和高于工作频段的两个高频抑制频段，s21的值均低于-40db，表明本发明滤波器实现了低频抑制频段和高频抑制频段三个频段的滤波，并且阻带抑制度大于40db。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。