一种负阶谐振器及耦合谐振滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；在所述上层基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中心设置一个手指交叉状的交指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下层基板，形成盲孔。基于上述负阶谐振器，本发明还提供了一种耦合谐振滤波器；由多个所述负阶谐振器单元级联构成，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的右端开缝，耦合一个馈电输出部件。
【专利说明】
一种负阶谐振器及耦合谐振滤波器
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁领域，特别涉及一种负阶谐振器及耦合谐振滤波器。
【背景技术】
[0002] 当微波传输线终端匹配时，其上传播的电磁波是行进的，称为行波传播。当微波传 输线终端是开路或者短路时，传输线上的电磁波呈现驻波分布，此时传输线即构成谐振器。
[0003] 在传统的传输线谐振器中，当谐振器结构的物理长度1是半波长的整数倍时，对 应的频率即为谐振频率每".，此时电长度Θ = β?是π的整数倍。由于传统传输线的电长 度只能大于〇,因此在传统传输线谐振器中仅存在正阶谐振；并且由于其色散曲线是线性 的，所以其谐振都是基波埤的谐波，也即= ?:々
[0004] 随着电磁超材料的迅速发展，作为电磁超材料中的一种，基于复合左右手 (Composite Right/Left-Handed，CRLH)结构的传输线得到了广泛关注和应用。CRLH传输 线通过在传统传输线的基础上人为地加入左手结构，也即串联电容和并联电感结构，引入 一段左手频域。在该区域内，电磁波表现为后向波传播的特性，此时传输线电长度小于0,这 就意味着利用该CRLH传输线作为谐振器时，可以产生负阶谐振，即传输线电长度是π的负 整数倍。与传统传输线相比，在同样的物理尺寸条件下，CRLH传输线负阶谐振的频率要小 于传统传输线的正阶谐振频率。即CRLH传输线负阶谐振器的电尺寸要小于传统传输线正 阶谐振器的电尺寸，因此，CRLH负阶谐振器可以实现结构的紧凑性和小型化。
[0005] CRLH传输线有多种实现方式，主要分为两大类：平面结构和三维结 构。平面结构的CRLH传输线主要有微带结构（参考文献[1] :L. Lei，C. Caloz，and T. Itoh, ''Dominant mode leaky-wave antenna with backfire~t〇-endfire scanning capability, "Electronics Letters, vol. 38, pp. 1414-1416, 2002.)、共面波导结构和基 片集成波导结构（参考文献[2] :Υ· Dong and T. Itoh, "Composite Right/Left-Handed Substrate Integrated Waveguide and Half Mode Substrate Integrated Waveguide Leaky-Wave Structures, 〃IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.59, pp. 767-775, 2011.)等形式。这些结构一般是对外开放的，由于CRLH传输线是工作在快 波区域内，因此会向外产生辐射，这一特点可以应用在天线中（参考文献[3]:杨青山，张 云华，张祥坤.一种复合左右手传输线型窄带大范围频率扫描天线.中华人民共和国专 利，专利号：ZL201210125172. 2)。然而，在导波应用中，这些结构会有辐射损耗以及对外 部电路干扰等缺点。三维结构的CRLH传输线一般通过在传统矩形波导传播方向上周期 性地插入开口 谐振环（参考文献[4] :S.Hrabar，J. Bartolic, and Z.Sipus,''Waveguide miniaturization using uniaxial negative permeability metamaterial,〃IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, pp. 110-119, 2005.)或者在波导宽 边引入周期性的介质填充波纹（参考文献[5] :1. A. Eshrah, A. A. Kishk, A. B. Yakovlev, and A. W. Glisson,"Rectangular waveguide with dielectric-filled corrugations supporting backward waves, 〃IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniqu es，vol. 53, pp. 3298-3304, 2005.)来实现。这种结构的CRLH传输线是一种闭合结构，不会 向外产生辐射，然而，其缺点也很明显：结构复杂，加工困难，造价昂贵。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有的两类CRLH传输线结构的缺陷，提出一种基片集成 脊波导（Ridge Substrate Integrated Waveguide:RSIW)结构的负阶谐振器，其结构简单、 剖面低，并且不会向外产生辐射；并以该结构的负阶谐振器为单元，提供了一种耦合谐振滤 波器。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和 下层基板；其特征在于，在所述上层基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金 属片的中心设置一个手指交叉状的交指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周 期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排 周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下层基板，形成盲孔。
[0008] 上述技术方案中，所述上层基板和下层基板的尺寸和负阶谐振器的工作频率有 关，工作频率越高，所述上层基板和下层基板的尺寸尺寸越小。
[0009] 上述技术方案中，所述交指电容的长度与所要求的负阶频率有关，负阶频率越低， 所述交指电容的长度越长。
[0010] 此外，基于上述负阶谐振器，本发明还提供了一种耦合谐振滤波器；由多个所述负 阶谐振器单元级联构成，其特征在于，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦 合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的 右端开缝，耦合一个馈电输出部件。
[0011] 上述技术方案中，所述负阶谐振器单元的个数η为2-7。
[0012] 上述技术方案中，所述负阶谐振器的物理尺寸和开缝尺寸通过以下方法确定：
[0013] 设所述滤波器的相对带宽为FBW，则第一个和第η个负阶谐振器的外部品质因数、 第i对负阶谐振器的内部耦合系数应为：
[0014]
(1)
[0015] 其中，gi为第i(i = 0, ···n+l)个归一化元件值，其中g。为馈电输入端，gi(i = 1··· η)为η个负阶谐振器，gn+1为馈电输出端；Qel为第一个负阶谐振器的外部品质因数，QJ% 第η个负阶谐振器的外部品质因数;Μ 1ι1+1为第i对负阶谐振器的耦合系数。
[0016] 根据第一个和第η个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合 系数，通过全波仿真确定每个负阶谐振器的物理尺寸；
[0017] 第i个负阶谐振器和第i + Ι个负阶谐振器组成的第i对谐振器的两个谐振频率满 足：
[0018] ⑵
[0019] 其中，和f 12分别表示第i对谐振器的低阶模和高阶模的谐振频率；
[0020] 第一个负阶谐振器外部品质因数：
[0021]
(3)
[0022] 其中，又:为该负阶谐振器的最大传输系数对应的频率，4?是该负阶谐振器的最大 传输系数的3dB带宽；
[0023] 第η个负阶谐振器外部品质因数：
[0024]
C4)
[0025] 其中，为该负阶谐振器的最大传输反射响应对应的频率，41是该负阶谐振器 的最大传输反射响应的3dB带宽；
[0026] 根据式⑵得到每个负阶谐振器开缝尺寸Wni、耦合系数Μ的对应曲线；根据⑶和 (4)，得到第一个和第η个负阶谐振器馈线嵌入深度t2、外部品质因数Q的对应曲线。
[0027] 本发明的优点在于：
[0028] 1、本发明的负阶谐振器能克服了现有的两种传输线的缺点，具有结构简单、低剖 面、低成本，并且不会向外产生辐射的优点；
[0029] 2、本发明的耦合谐振滤波器具有结构简单、低剖面、低成本，结构紧凑并且不会向 外产生辐射的优点。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的耦合谐振滤波器的结构示意图；
[0031] 图2是本发明的负阶谐振器的结构示意图；
[0032] 图3是本发明中负阶谐振器的结构尺寸示意图；
[0033] 图4是本发明中负阶谐振器的传输反射响应图；
[0034] 图5(a)是本发明的负阶谐振器在其负阶谐振点的电场分布图；
[0035] 图5(b)是本发明的负阶谐振器在其零阶谐振点的电场分布图；
[0036] 图5(c)是本发明的负阶谐振器在其正阶谐振点的电场分布图；
[0037] 图5(d)是不加载交指电容的谐振器在其正阶谐振点的电场分布图；
[0038] 图6是本发明的负阶谐振器的腔体开缝长度的示意图；
[0039] 图7是本发明的一个负阶谐振器的外部品质因数与馈线嵌入深度的关系图；
[0040] 图8是本发明的一对负阶谐振器的耦合系数与谐振器腔体开缝长度的关系图；
[0041] 图9是本发明的实施例的3阶耦合负阶谐振滤波器的仿真和实测的传输反射响应 图。
【具体实施方式】
[0042] 在对本发明的【具体实施方式】做详细说明之前，首先对相关的原理进行说明。
[0043] 本发明提出的基于RSIW结构的CRLH传输线通过多层印制电路板加工技术实现， 其中脊平面位于两层介质基板中间。交指电容开在脊平面，构成左手特性的必要条件之一， 串联电容；另一个构成左手特性的并联电感则由RSIW两边的金属过孔来提供。两侧盲孔和 通孔的间距要进行适当选择使得从两侧泄露的能量可以忽略。馈电与脊平面相连，为了与 外部电路连接，中间层的馈线通过盲孔转换到底层平面上，参考图1的滤波器两端馈电结 构。可见这种结构也是一种平面的CRLH传输线结构，具有低剖面、低重量、低成本、易与平 面电路结合等优点，同时还具备了其它平面结构的CRLH传输线所不具备的优点，即结构封 闭，不向外产生福射。
[0044] 如图2所述，一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；在上层基板 和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中心设置一个手指交叉状的交指电 容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成 通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下 层基板，形成盲孔。
[0045] 所述上层基板和下层基板的尺寸和负阶谐振器的工作频率有关，工作频率越高， 所述上层基板和下层基板的尺寸尺寸越小。
[0046] 所述交指电容的长度与所要求的负阶频率有关，负阶频率越低，所述交指电容的 长度越长。
[0047] 如图2和图3所示，作为所述负阶谐振器的一个实施例，上层基板和下层基板采用 Rogers RT/Duroid 6002,介电常数为2. 94,损耗角正切tan δ =〇.〇〇12,上层基板的厚度 为：1^= 0. 254mm ;下层基板的厚度为：h 2= 0. 508mm。两侧的金属化盲孔和通孔直径分别 为山=0. 3_和d2= 0. 35_。为了分析其单元传输响应，采用微带线与脊平面连接，对该 终端短路的腔体谐振器直接親合。利用电磁仿真软件CST Microwave Studio,可以得到该 谐振器的传输反射响应，如图4所示。
[0048] 作为对比，对不加载交指电容的谐振器进行了仿真，尺寸均与上述负阶谐振器相 同，其传输反射响应如图4所示。可以看出，负阶谐振器的两个谐振频率要远远小于不加载 交指电容谐振器的谐振频率，也即说明了利用该负阶谐振器的这两个谐振能够实现微波器 件的小型化。在负阶谐振器单元中，理论上存在三个谐振，如图5(a)所示，-1阶谐振发生 在5. 5GHz左右，该频点处谐振器的电尺寸为-π ;如图5 (b)所示，0阶谐振发生在8. 8GHz 左右；如图5(c)所示，+1阶谐振发生在17. 2GHz处。如图5(d)所示，对于不加载交指电容 的谐振器，其只有一个+1阶谐振发生在16. 35GHz处。可以看出，图5(a)和图5(c)的电场 分布与图5(d)类似，均为半波长谐振。
[0049] 此外，基于上述负阶谐振器，本发明还提供了一种耦合谐振滤波器；由多个所述负 阶谐振器单元级联构成，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦合；在第一个 负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的右端开缝，耦合 一个馈电输出部件。
[0050] 所述负阶谐振器单元的个数η为2-7。
[0051] 所述负阶谐振器的物理尺寸和开缝尺寸通过以下方法确定：
[0052] 根据所述滤波器的参数，计算第一个和第η个负阶谐振器的外部品质因数；将相 邻的负阶谐振器两两组对，计算每对负阶谐振器的内部耦合系数；
[0053] 设所述滤波器的相对带宽为FBW，则第一个和第η个负阶谐振器的外部品质因数、 第i对负阶谐振器的内部耦合系数应为：
[0054]
⑴
[0055] 其中，gi为第i(i = 0, ···n+l)个归一化元件值，其中g。为馈电输入端，gi(i = 1··· η)为η个负阶谐振器，gn+1为馈电输出端；Qel为第一个负阶谐振器的外部品质因数，QJ% 第η个负阶谐振器的外部品质因数;Μ 1ι1+1为第i对负阶谐振器的耦合系数。
[0056] 根据第一个和第η个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合 系数，通过全波仿真确定每个负阶谐振器的物理尺寸；
[0057] 第i个负阶谐振器和第i+Ι个负阶谐振器组成的第i对谐振器的两个谐振频率满 足：
[0058]
⑵
[0059] 其中，和f 12分别表示第i对谐振器的低阶模和高阶模的谐振频率；
[0060] 第一个负阶谐振器外部品质因数：
[0061]
C3)
[0062] 其中，|为该负阶谐振器的最大传输系数对应的频率，4?；是该负阶谐振器的最大 传输系数的3dB带宽；
[0063] 第η个负阶谐振器外部品质因数：
[0064]
(4)
[0065] 其中，尤为该负阶谐振器的最大传输反射响应对应的频率，4?"是该负阶谐振器 的最大传输反射响应的3dB带宽；
[0066] 根据式（2)得到每个负阶谐振器开缝尺寸Wni、耦合系数Μ的对应曲线；根据⑶和 (4)，得到第一个和第η个负阶谐振器馈线嵌入深度t 2、外部品质因数Q的对应曲线。
[0067] 如图1所示，作为本发明的滤波器的一个具体实施例：一个3阶耦合谐振滤波器， 其中心频率为5. 5GHz，即工作在负阶谐振器的-1阶谐振频率上；相对带宽FBW为6%，选定 波纹幅度为0. ldB的3阶切比雪夫低通原型，5个归一化元件值分别为g。= g 4= 1，g i =g3= 1. 0316, g 2= 1. 1474,则根据公式⑴该滤波器的外部品质因数和耦合系数为：
[0068] Qel= Q e3= 17. 19
[0069] Μ12= Μ 23= 0. 055
[0070] 利用CST Microwave Studio软件仿真一对级联的负阶谐振器，建立親合系数与实 际物理尺寸之间的关系。经过仿真得到这对谐振器的高阶模谐振频率和低阶模谐振频率， 并且根据公式（2)计算谐振器之间的耦合系数。如图7所示，随着缝隙宽度 Wni的增大，两 个谐振器之间的耦合也在增大；不断调整I的值，使耦合系数等于0. 055。
[0071] 外部品质因数通过仿真两端加载的单个谐振器来获得；通过改变微带馈线的嵌入 深度t2控制谐振器的外部品质因数，通过公式⑶和⑷计算外部品质因数，如图8所示， 不断调整t 2的值，使外部品质因数等于17. 19。
[0072] 根据以上的分析，可以设置3阶耦合谐振滤波器的初始尺寸：p = 6. 7mm，Wl = 5. 8mm, w2= 6. 95mm, w 3= 1. 2mm, t ! = 0. 6mm, 12= 0. 8mm, lc = 4. 55mm, wc = 0. 25mm, ws = 0. 2mm〇
[0073] 最后利用CST Microwave Studio对滤波器做整体优化；本实例的鍋合谐振滤波器 的实际尺寸为21.05mmX7.8mm(0.66λgX0.25λ g)，结构很紧凑D如图9所示，滤波器的仿 真和实测的传输反射响应具有很好的一致性。该滤波器实测带内插损约为3. 3dB，带内回波 损耗小于-10dB，实测中心频率为5. 5GHz，3dB带宽为420MHz，相对带宽为7. 6%，符合设计 预期。
[0074] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；其特征在于，在所述上层 基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中屯、设置一个手指交叉状的交 指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板， 形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通 至下层基板，形成盲孔。2. 根据权利要求1所述的负阶谐振器，其特征在于，所述上层基板和下层基板的尺寸 和负阶谐振器的工作频率有关，工作频率越高，所述上层基板和下层基板的尺寸越小。3. 根据权利要求1所述的负阶谐振器，其特征在于，所述交指电容的长度与所要求的 负阶频率有关，负阶频率越低，所述交指电容的长度越长。4. 一种禪合谐振滤波器，根据权利要求1-3之一所述的负阶谐振器实现，所述滤波器 由多个所述负阶谐振器单元级联构成，其特征在于，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔 体开缝进行禪合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，禪合一个馈电输入部件；在最后一个 负阶谐振器的右端开缝，禪合一个馈电输出部件。5. 根据权利要求4所述的禪合谐振滤波器，其特征在于，所述负阶谐振器单元的个数n 为 2-7。6. 根据权利要求5所述的禪合谐振滤波器，其特征在于，所述负阶谐振器的物理尺寸 和开缝尺寸通过W下方法确定： 设所述滤波器的相对带宽为FBW，则第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i 对债阶谐搞器的內部规合系掛脉为：Cl) 其中，gi为第i(i = 0,…n+1)个归一化元件值，其中g。为馈电输入端，gi(i = 1…n) 为n个负阶谐振器，gw为馈电输出端；Q。1为第一个负阶谐振器的外部品质因数，Q。。为第n 个负阶谐振器的外部品质因数;Mi, W为第i对负阶谐振器的禪合系数； 根据第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部禪合系数， 通过全波仿真确定每个负阶谐振器的物理尺寸； 第i个负阶谐振器和第i+1个负阶谐振器组成的第i对谐振器的两个谐振频率满足：(2) 其中，f。和f。分别表示第i对谐振器的低阶模和高阶模的谐振频率； 第一个负阶谐振器外部品质因数：(3) 其中，7；为该负阶谐振器的最大传输系数对应的频率，苗;是该负阶谐振器的最大传输 系数的3地带宽； (4) 第n个负阶谐振器外部品质因数： 其中，/；?为该负阶谐振器的最大传输反射响应对应的频率，A式,,是该负阶谐振器的最 大传输反射响应的3地带宽； 根据式似得到每个负阶谐振器开缝尺寸Wm、禪合系数M的对应曲线；根据（3)和（4)， 得到第一个和第n个负阶谐振器的馈线嵌入深度t2、外部品质因数Q的对应曲线。
【文档编号】H01P7/00GK105990634SQ201510065267
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】杨青山, 张云华
【申请人】中国科学院空间科学与应用研究中心