基于超材料结构的滤波器设计方法和滤波器的制作方法

专利名称：基于超材料结构的滤波器设计方法和滤波器的制作方法
基于超材料结构的滤波器设计方法和滤波器
优先权要求和相关申请本申请要求于2007年11月16日提交的标题为“Extended Metamaterial Structures and Applications for High-Q Filters”的序列号为60/988,768的美国临时专利申请，以及于 2008 年 5 月 6 日提交的标题为 “Single Cable Antenna Solution for Laptop Computer” 的序
列号为61/050,954的美国临时申请的权益。以上两个申请的全部公开内容通过参考并入 本文中，作为本申请说明书的一部分。
背景技术：
电磁波在大多数材料中的传播符合关于(E，H, 矢量场的右手定律，其中E 是电场，H是磁场，0是波矢。相位速度方向与信号能量传播(群速度)方向一致，且 折射率是正数。这样的材料是“右手的”(RH)材料。大多数自然材料都是RH材料。 人工材料也可以是RH材料。超材料(metamaterial，MTM)具有人造结构。当设计成在结构上的平均基本单 元尺寸p比超材料(metamaterial)制导的电磁能量的波长小很多时，对于被制导的电磁能 量，超材料可表现得象均勻介质一样。与RH材料不同，超材料可以呈现负数的折射率， 同时所具有的介电常数￡和磁导率P也是负数，且相位速度方向与信号能量传播方向相 反，这里的(E，H, 矢量场的相对方向遵循左手法则。仅支持负折射率且介电常数 ￡和磁导率y也同时是负数的超材料是纯粹的“左手(LH)”超材料。许多超材料是LH材料和RH材料的混合物，并因此成为复合的左右手(CRLH) 超材料。CRLH超材料可在低频处表现得象左手材料，而在高频处表现得象右手材料。 各种CRLH超材料的设计和性质在Caloz和Itoh在John Wiley&Sons (2006)上发表的
“Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications, ” 中有所描述。CRLH超材料及其在天线中的应用在Tatsuo Itoh于2004年8月在Electronics Letters 第 40 卷第 16 期上的文章"Invited paper Prospects for Metamaterials, ” 中有所 描述。CRLH超材料可以被构造并制造成，使其具有适用于特定应用的电磁性质，并 可用在使用其他材料是很难的、不切实际的或不可行的应用中。此外，CRLH超材料可 用于研制新应用，并可用于构造不能采用右手材料的新器件。各种基于CRLH超材料的滤波器将在以下举例描述。

发明内容
本申请描述了基于超材料结构的滤波器设计技术和滤波器，该超材料结构包括 扩展复合左右手(E-CRLH)超材料基本单元。一方面，基于超材料结构的滤波器器件包括扩展复合左右手(E-CRLH)超材料 的基本单元。这个E-CRLH单元包括组合起来产生串联谐振《SE的串联电感LR和串联 电容CL，组合起来产生并联谐振《SH的并联电感LL和并联电容CR，组合起来产生串联谐振ω8Ε,的串联电感LR’和串联电容CL’，以及组合起来产生并联谐振ωSH，的并联电 感LL’和并联电容CR’。 串联电感LR、串联电容CL、并联电感LL、并联电容CR、 串联电感LR’、串联电容CL’、并联电感LL’和并联电容CR’被(1)连接形成用于 E-CRLH基本单元的对称单元结构，这里E-CRLH基本单元的输入端和输出端具有共同 的电路结构，并且⑵具有的值使COse和COsh,基本相等，且COsh和COse,基本相等。另一方面，滤波器器件包括了由常规CRLH(C-CRLH)单元和双 CRLH(D-CRLH)单元的非线性组合形成的E-CRLH基本单元结构。在这种器件中， C-CRLH单元的串联电感LR和串联电容CL的组合产生串联谐振ω8Ε ； OCRLH单元的 并联电感LL和并联电容CR的组合产生并联震荡ω8Η; D-CRLH单元的串联电感LR’ 和串联电容CL’的组合产生串联谐振ωSE, ； D-CRLH单元的并联电感LL’和并联电容 CR’的组合产生并联谐振《SH, ； COse和COsh,基本相等，且COsh和COse,基本相等。再一方面，滤波器器件包括C-CRLH基本单元结构，这个C-CRLH基本单元结 构包括多个具有耦合到第二 CRLH (C-CRLH)单元的第一 CRLH (C-CRLH)单元的常规 CRLH(C-CRLH)单元；第一 CRLH(C-CRLH)单元的串联电感LRl和串联电容CLl的组 合，其产生串联谐振"SE1；第一 CRLH(C-CRLH)单元的并联电感LLl和并联电容CRl 的组合，其产生并联谐振《SH1 ；第二 CRLH(C-CRLH)单元的串联电感LR2和串联电容 CL2的组合，其产生串联谐振《SE2 ；第二 CRLH(C-CRLH)单元的并联电感LL2和并联 电容CR2的组合，其产生并联谐振ω SH2。ω sm和ω SE2基本相等，且ω sm和ω SH2基本 相等。又一方面，全印刷扩展复合左右手(E-CRLH)超材料结构包括第一金属化层、 第二金属化层、第三金属化层、第一导电过孔、第四金属化层、第一单元过孔，和第二 单元过孔。其中，第一金属化层被制造成包括第一信号端口、耦合到第一信号端口的 第一馈线、耦合到第一馈线的第一发射台(launch pad)、与第一发射台相分离并电容性耦 合到第一发射台的第一单元接线片(cell patch)、与第一单元接线片隔开并耦合到从第一 单元接线片接收信号的第二单元接线片、与第二单元接线片相分离并电容性耦合到第二 单元接线片的第二发射台、耦合到第二发射台的第二馈线、耦合到第二馈线的第二信号 端。第二金属化层被制造成包括位于第一金属化层的下面且在第一、第二单元接线片之 间的第一导电单元接线片。第三金属化层被制造成包括在第二金属化层中的第一导电单 元接线片下面的第二导电单元。第一导电过孔(via)连接在第二金属化层中的第一导电单 元接线片和在第三金属化层中的第二导电单元接线片。第四金属化层为器件提供了接地 电极。第一单元过孔连接第一金属化层上的第一单元接线片和第四金属化层中的接地电 极，第一单元过孔与第一和第二导电单元接线片相分离且不直接接触。第二单元过孔连 接第一金属化层上的第二单元接线片和第四金属化层上的接地电极，第二单元过孔与第 一和第二导电单元接线片相分离且不直接接触。再另一方面，双工器(diplexer)器件包括能够发送和接收多个具有低波段频率 和高波段频率的信号的主输入/输出端口；能够发射和接收工作在低波段频率上的第一 信号的低波段输入/输出端口；将主输入/输出端口连接到低波段输入/输出端口并具有 低插入损耗和锐上波段边沿的低波段带通滤波器；能够发射和接收工作在高波段频率上 的第二信号的高波段输入/输出端口；将主输入/输出端口连接到高波段端口并具有低插入损耗和锐下波段边沿的高波段带通滤波器。在低波段滤波器的上边沿和高波段滤波器 的下边沿之间的隔离带定义为低。又再一方面，设计滤波器电路的方法包括识别滤波电路的目标滤波器性能参 数，参数包括阻抗、频率波段、和滤波器电路的滤波带宽；基于识别出的目标滤波器 性能参数和滤波器电路的阻抗匹配条件，导出多个初始电路参数；评价脉冲曲线(beta curve),回波损耗、传输波段、和滤波器电路阻抗；生成电子数据表来迭代优化并验证 滤波电路的电路参数，搜索满足识别目标滤波性能的参数来最终确定电路参数。举例来 说，这样的方法可用来设计包括扩展复合左右手(E-CRLH)单元的滤波电路。可以实施在此描述的滤波器设计和设计方法，来提供基于应用CRLH类型结构 的高效、易于按比例调节到任意波段的滤波器设计的最佳电路，可以在目标频率波段上 提供匹配条件，并可以集成在前端模块包内。在此描述的滤波设计和设计方法也可以被 用来提供分别基于合成左右手的、C-CRLH和E-CRLH超材料(MTM)的传输线的常规 扩展结构，展现出足够(rich)的频散特性(behavior)来更好地控制一个或多个滤波器的随 动特征频率波段、品质系数、边带滤波拒斥、低插入损耗。这些和其他实施例以及他们的变型在附图、详细说明和权利要求中被详细描 述。


图1举例示出基于四基本单元的ID CRLH MTM TL。图2示出图1所示的ID CRLH MTM TL的等效电路。图3示出图1示出的ID CRLH MTM TL的等效电路的另一种图形表示。图4A示出对于图2中ID CRLH TL等效电路的2端口网络矩阵的图形表示。图4B示出对于图3中ID CRLH TL等效电路的另一种2端口网络矩阵的图形表示。图5示出基于四基本单元的ID CRLH MTM天线的示例。图6A示出类似于图4A所示TL情形的对于ID CRLH天线等效电路的2端口网
络矩阵图形表示。图6B示出类似于图4B所示TL情形的对于ID CRLH天线等效电路的另一种2
端口网络矩阵图形表示。图7A示出平衡情形的频散曲线(dispersion curve)的示例。图7B示出非平衡情形的频散曲线的示例。图8示出具有基于四个基本单元的平截接地件的ID CRLH MTM TL的示例。图9示出图8所示的带有平截接地件的ID CRLH MTM TL的等效电路图10示出带有基于四个基本单元的平截接地件的ID CRLH MTM天线的示例。图11示出带有基于四个基本单元的接地平切面的ID CRLH MTM TL的另一个示例。图12示出图11中所示的带有接地平切面的ID CRLH MTM TL的等效电路。图13示出C-CRLH和E-CRLH分析、设计、和制造步骤。图14示出WWAN/WLAN双工器(diplexer)的功能框图。
图15A示出用于低通滤波并在接近2.2GHz处锐截止的双工滤波器。图15B示出用于高通滤波并在接近2.2GHz处锐截止的双工滤波器。图16A-16C示出对称CRLH基本单元的等效电路(a)常规的，(b)双重的， (C)扩展的。图17示出一般化E-CRLH(GE-CRLH)单元的四层全印刷设计的3D视图。图18示出图25中的E-CRLH高Q滤波器的等效电路。图19示出表3中参数的电路响应。图20A示出使用了具有表3列出的参数和图18A-18B中描述的LP滤波器的1_单 元E-CRLH的滤波器设计。图20B示出图20A中电路的带通滤波器响应。图21A示出3-单元LP滤波电路，其中LRLPover2 = 9.33nH/2并且CRLP = 1.9pF。图21B示出图21A中电路的LP滤波器响应。图22示出E-CRLH基本单元(unit cell)传播常量β与频率的关系曲线的示例。图23示出用于得到相关参数和构造CRLH结构的流程图。图24示出图25中E-CRLH电路的模拟的Sll和S12。图25示出用分立元件构造的高-Q滤波器的图片。图26示出图25中滤波器的Sll和S12的初步结果。图27Α-27Ε示出图17中的GE-CRLH结构的不同视图。图28Α-28Β示出基于图17和图27中的E-CRLH的高-Q滤波器的Sl 1和 S12 ； (a)全印刷HFSS设计，(b)它的使用Ansoft Designer的相应E-CRLH电路。图29A示出关于具有尖锐的下沿或上沿的宽带滤波器的在15欧姆处匹配的宽带 阻抗。图29B示出对于具有尖锐的下沿或上沿的宽带滤波器的电路模拟响应。图30示出关于具有尖锐的下沿或上沿的窄带滤波器的两个窄带带通区域，其中 上区域匹配在25欧姆处。图31示出关于具有尖锐的下沿或上沿的窄带滤波器的电路模拟响应。图32示出2-单元常规复合左右手(C-CRLH)的传输线。图33示出二端口传输线网络，其中内部电路在图32中示出。图34A-34B示出了 2_单元各向同性且平衡的TL滤波(a)电路，(b)传输S12 和回波损耗(return loss) S11/S12。图35A-35E示出全印刷E-CRLH结构的示例，分别展示了四个金属化层的结 构，其中金属化层1包括两个信号端口和两个共面波导，金属化层2包括两个顶部金属绝 缘体金属(MIT)电容器(MIM1和MIM2)和层间过孔(inter-layer via) 11、过孔12、过孔 21、和过孔22，金属化层3包括两个单元的主结构，金属化层4包括三个底部MIM电容 器MIM1、MIM2、和MIM12电容器，并且金属化层5是全底层接地电极。图36A示出图35A-35G和表13的全印刷结构HFSS仿真，其主OCRLH结构 对应于图34中的电路。图36B示出图35A-35G和表13的全印刷结构的测量结果。
图37A示出对于平衡的各向异性情况下，将输入阻抗从20欧姆转换到50欧姆并 覆盖900MHz到6GHz带宽插入损耗的滤波器。图37B示出对于平衡的各向异性情况下的参数的电路响应。图38A示出对于非平衡的各向异性情况下，将输入阻抗从50欧姆转换到5欧姆 并覆盖IGHz到1.65GHz带宽近零插入损耗的滤波器。图38B示出对于非平衡各向异性情况下的参数的电路响应。图39示出WAN/LAN双工器的功能框图。图40A-40B示出使用一个E-CRLH基本单元和3单元低通滤波的低带宽带通滤 波器；(a)具有元件衬垫的电路布局，(b)初步焊接样板(preliminary fabricated prototype)
的照片。图41A-41B示出对于低波段带通滤波器的传输(S12)和回波损耗(S11/S22)； (a)图40A的仿真，(b)图40B的测量。图42示出使用一个E-CRLH基本单元的高波段带通滤波器和3单元高通滤波
ο图43示出用于图42中的低波段带通滤波器的仿真传输(S12)和回波损耗(Sll/ S22)。图44示出3端口双工器，分别合并了图40A-40B和图41A-41B中的低波段和高 波段带通滤波器。图45示出关于图44中的高波段低波段双工器的仿真传输S12和S13以及在端口 2和端口 3之间的连接。
具体实施例方式超材料(MTM)结构可用于构造天线、传输线、滤波器和其他电气元件和设 备，为广泛范围的技术进步，诸如尺寸的缩小和性能的改善，创造条件。MTM天线结 构可以在各种电路平台上制造，例如常规FR-4印刷电路板(PCB)或者柔性印刷电路板 (FPC)。其他制造技术的例子还包括薄膜制造技术、系统芯片(SOC)技术、低温共烧陶 瓷(LTCC)技术，以及单片微波集成电路(MMIC)技术。在CRLH超材料结构的一种应用中，这样的结构可被直接应用于现代滤波设 计。一般来说，滤波器设计使通信链路能够过滤掉频率波段与用于通信的频率波段不同 的任意信号。利用CRLH结构的现代滤波器设计和技术可以实现高通、带通，或阻抗变 换，在 G.Mattaei，L.Young E.N.T.Jones 于 1980 年在 Artech House Publisher 中发表的文章
"Microwave Filters, Impedance-matching Networks, and Coupling structures“中描述了其 中某些设计和技术。如Mattaei的描述，高通设计滤波器以纯左手基本单元(unit cell)为基础。在设 计滤波器的另一个例子中，带通和阻抗变换器设计滤波器以CRLH基本单元为基础。但 是如Mattaei所指出的，CRLH结构滤波器设计的使用很难以实际的微波结构来实现，取 而代之，串联电感和阻抗逆变器则被用于滤波器设计。Mattaei的滤波器设计方法的另一 个例子中需要大量的基本单元，例如常规CRLH(C-CRLH)，来创建锐截止滤波器(sharp filter),但由于在滤波器的通带中会出现波纹(ripples)，锐截止滤波器会增大滤波器的插入损耗(insertion loss)。基本单元参数和单元数可由为不同基本单元产生的表格中列出的 系数推导出。其他的滤波器设计方法也是可以的，但是通常应用强力(brute force)技术 来实现最佳效果。其他的CRLH结构，比如扩展复合左/右手(E-CRLH)结构，在由Rennings 等人所著的 “Extended Composite Right/Left-Handed(E-CRLH) Metamaterial and its Application as Quadband Quarter-Wavelength Transmission Line” 中有所描述，该论文收录 在Asia-Pacific Microwave Conference(2006)论文集中，并通过引用作为本申请说明书的
一部分并入本文。以上描述了几个常规滤波器设计方法，尽管常规滤波器设计方法是有效的，但 是由于其利用了太多参数、范围要求过大、并且很难匹配目标频率波段而被认为过于麻 烦。当前滤波器设计的实际限制是它们不能简化诸如手机和客户卡这样的小型无线 通信设备的射频前端模块(FEM)。在当前FEM设计中，使用例如表面声波(SAW)滤波 器来替代微波电路结构，微波电路结构使得很难并且不可能将这样的设计集成在RFIC包 中或集成在FEM基片上。本申请揭露了基于MTM结构的滤波器设计和滤波器的实例和实现方式。用于 滤波器的MTM结构可基于MTM天线结构和MTM传输线结构，可配置成产生两个不同 的频波段“低波段”和“高波段”。低波段包括至少一个左手(LH)模式的谐振，而 高波段包括至少一个右手(RH)模式的谐振。本申请中的某些实现针对蜂窝电话应用、 手持设备应用(比如黑莓手机)，和其他移动设备应用，其中天线被期望可支持多个频率 波段，并在有限空间的约束下具有合理的性能。本申请揭露的MTM天线设计提供了超 越常规天线的优点，诸如但不限于更小的尺寸、基于单天线解决方案的多个谐振、不随 用户的交互作用而偏移的稳定谐振，以及独立于物理尺寸的谐振频率。蜂窝电话和移动 设备应用中的频率波段包括蜂窝波段(824MHz-960MHz)，其实际包括了两个波段， CDMA和GSM波段；以及PCS/DCS波段(1710ΜΗζ_2170ΜΗζ)，其实际包括了三个波 段PCS、DCS和WCDMA波段。四波段天线覆盖了蜂窝波段的CDMA和GSM波段 其中的一个，以及PCS/DCS波段中的所有三个波段。五波段天线覆盖了所有的五个波段 (蜂窝波段中的两个和PCS/DCS中的所有三个波段)。示范性的MTM天线结构在于2007年4月27日提交的标题为“Antennas， Devices, and Systems Based on Metamaterial Structures” 的第 11/741,674 号美国专利申请 中，以及于 2007 年 8 月 24 日提交的标题为 “Antennas Based on Metamaterial Structures”
的第11/844,982号美国专利申请中有所描述，这两篇申请通过参考并入本文，作为本申 请说明书的一部分。MTM天线或MTM传输线(TL)是具有一个或多个MTM基本单元的MTM结
构。各MTM基本单元的等效电路包括右手串联电感(LR)、右手并联电容(CR)、左手 串联电容(CL)，和左手并联电感(LL)。LL和CL被构造和连接成向基本单元提供左手 特性。这类CRLH TL或者天线可通过使用分布式电路元件、集总电路元件或两者的组合 来实现。各基本单元小于大约λ/4，其中λ是从CRLH TL或天线发射的电磁信号的波长。
纯LH超材料遵循关于三个矢量(E，H, β)的左手法则，相位速度方向与信号 能量传播方向相反。LH材料的介电常数ε和磁导率μ都是负数。而依赖于操作的方 式或频率，CRLH超材料可展示出左手和右手两种传播电磁模式。在某些环境下，当信 号波矢为零时CRLH超材料可展示出非零群速度。这一情形出现在左手和右手模式平衡 的时候。在非平衡模式中，则存在禁止电磁波传播的波段间隙。在平衡的情形下，频散 曲线在左右手模式之间的传播常数β (ω0) = 0的转变点处不显现任何非连续性，其中制 导波长是无穷大的，即λ8 = 2π/|β|—c ，此时群速度为正数 d(&
VG=Dω/Dβ|β-0>0这一状态对应于在LH区域TL实施中的零阶模式m = 0。CRHL结构支持具有 遵循负数的β抛物线区域频散关系的低频率下良好的频谱。这允许了使用在物理上小体 积的器件来建造具有操作和控制近场辐射模式的独特能力的大型电磁设备。当此TL用作 零阶谐振器(ZOR)时，跨整个谐振器的振幅和相位谐振都是恒定的。ZOR模式可用于 建造基于MTM的功率组合器(power combiner)和分配器(splitter)或分离器(divider)、 定向耦合器(directional coupler)、匹配网络(matching network)、和漏波天线(leaky wave antenna)。在RH TL谐振器的情况中，谐振频率对应于电长度em = 3ml = mji(m=l， 2，3......)，其中1是TL的长度。TL长度应能达到谐振频率的低频率和较宽频谱。纯
LH材料的工作频率在低频。CRLH MTM结构与RH或LH材料差别很大，并可用于达 到RF频谱范围的高频谱和低频谱区域。在CRLH情况下，em=i3ml = mji，其中1是 CRLHTL 的长度，且参数 m = 0，士 1，士 2，士 3......士⑴。图1示出基于四个基本单元的ID CRLH MTM TL的例子。一个基本单元包括单 元接线片(cell patch)和过孔，并且是构建MTM结构中重复出现的最小单位。四个单元 接线片置于基片上，并且各自的中心过孔连接到接地平面(ground plane)。图2表示图1中的ID CRLH MTM TL的等效网络电路。ZLin，禾Π ZLout'分 别对应于TL的输入负载阻抗和TL输出负载阻抗，是因为在各端处耦合的TL产生的。 这是印刷两层结构的例子，LR因为电介质基片上的单元接线片而产生，CR因为电介质 基片被单元接线片和接地平面夹在中间而产生。CL因为两个相邻单元接线片的存在而产 生，并且过孔产生了 LL。每个单个基本单元可具有两个谐振ω8Ε和coSH，对应于串联(SE)阻抗Z和并联 (SH)导纳Y。在图2中，Ζ/2块包括LR/2和2CL的串联组合，Y块包括LL和CR的 并联组合。这些参数之间的关系表达如下ωsh=1/√(llcr)；ωse=1/√(lrcl)；ωr= 1/√(lrcr)；ωl=1/√(llcl)；其中z=jωlr+1/jωcl并且y=jωcr+1/jωll等式(1)图1中输入/输出边沿处的两个基本单元不包括CL，因为CL代表两个相邻单 元接线片之间的电容，不会出现在输入输出边沿处。边沿基本单元处CL部分的缺失防止ω SE频率发生谐振。因此只有ω SH作为m = 0谐振频率出现。为简化计算分析，加入了 ZLin’和ZLout’串联电容器部分来补偿缺失的CL 部分，而余下的输入输出负载阻抗被分别表示为ZLin和ZLout，如图3所示。在此条件 下，所有基本单元具有相同的参数，如图3中两个串联Z/2块和一个并联Y块表示的那 样，其中Z/2块包括LR/2和2CL的串联组合，Y块包括LL和CR的并联组合。图4A和图4B示出2端口网络矩阵，分别表示图2和图3中没有负载阻抗的TL 电路。图5示出基于四个基本单元的ID CRLH MTM天线的例子。图6A示出代表图5 中的天线电路的2端口网络矩阵。图6B显示代表图5中的天线电路的2端口网络矩阵， 其中在边沿有所改变以解决缺失CL部分的问题，从而使所有的基本单元都相同。图6A 和6B分别类似于图4A和4B中显示的TL电路。在矩阵表示法中，图4B表示的关系在下面给出
权利要求
1.一种基于超材料结构的滤波器件，包括扩展复合的左右手(E-CRLH)超材料基本单元，包括 组合产生串联谐振ω8Ε的串联电感LR和串联电容CL， 组合产生并联谐振ω SH的并联电感LL和并联电容CR， 组合产生串联谐荡ω8Ε,的串联电感LR’和串联电容CL’，以及 组合产生并联谐振ω SH,的并联电感LL’和并联电容CR’， 其中所述串联电感LR、所述串联电容CL、所述并联电感LL、所述并联电容CR、所 述串联电感LR’、所述串联电容CL’、所述并联电感LL’和所述并联电容CR’(1)被 连接以形成所述E-CRLH的基本单元的对称单元结构，其中所述E-CRLH基本单元的输 入端和输出端具有共同的电路结构，且(2)具有使COse和COsh,基本相等并使COsh和COse, 基本相等的值。
2.如权利要求1所述的器件，包括连接到所述E-CRLH基本单元的一个或多个附加 E-CRLH基本单元。
3.如权利要求1所述的器件，包括连接到所述E-CRLH基本单元的低通滤波器。
4.如权利要求3所述的器件，其中所述低通滤波器包括超材料结构。
5.如权利要求1所述的器件，包括连接到所述E-CRLH基本单元的高通滤波器。
6.如权利要求5所述的器件，其中所述高通滤波器包括超材料结构。
7.如权利要求1所述的器件，其中LR/CR的比值和LL，/CL'的比值基本相等。
8.如权利要求1所述的器件，其中LR、CL、LL、CR、LR，、CL，、LL，、CR， 的值选择成能匹配所述器件的输入阻抗和输出阻抗。
9.如权利要求1所述的器件，其中所述串联电感LR选择成能匹配所述器件的输入阻 抗和输出阻抗。
10.如权利要求1所述的器件，其中所述E-CRLH基本单元具有以四个分离的且相互 平行的金属化层的形式形成的印刷电路结构，且所述E-CRLH基本单元包括第一金属化层，其被制造成包括第一信号端口、连接到所述第一信号端口的第一馈 线、连接到所述第一馈线的第一发射台、和与所述第一发射台相分离并电容性连接到所 述第一发射台的第一单元接线片、与所述第一单元接线片间隔开并连接成从所述第一单 元接线片接收信号的第二单元接线片、与所述第二单元接线片相分离并电容性连接到所 述第二单元接线片的第二发射台、连接到所述第二发射台的第二馈线，以及连接到所述 第二馈线的第二信号端口；第二金属化层，其被制造成包括第一导电单元接线片，该第一导电单元接线片位于 所述第一金属化层之下且位于所述第一和第二单元接线片之间且；第三金属化层，其被制造成包括第二导电单元，该第二导电单元在所述第二金属化 层中的第一导电单元接线片之下；第一导电过孔，其连接所述第二金属化层中的第一导电单元接线片和所述第三金属 化层中的第二导电单元接线片；第四金属化层，其为所述器件提供接地电极；第一单元过孔，其连接所述第一金属化层上的第一单元接线片和所述第四金属化层 中的接地电极，所述第一单元过孔与所述第一和第二导电单元接线片相分离且不直接接触；以及第二单元过孔，其连接所述第一金属化层上的第二单元接线片和所述第四金属化层 中的接地电极，所述第二单元过孔与所述第一和第二导电单元接线片相分离且不直接接 触。
11.如权利要求10所述的器件，其中所述第一金属化层被制造成包括与所述第一发射台相邻的第一顶部接地电极和与 所述第二发射台相邻的第二顶部接地电极；所述第二金属化层被制造成包括在所述第一顶部接地电极下面的第一底部接地电 极和在所述第二顶部接地电极下面的第二底部接地电极，所述第一顶部接地电极被制造成，与所述第一底部接地电极组合起来支持第一共面 波导(CPW)，该第一共面波导连接在所述第一信号端口和所述第一馈线之间，且所述第二顶部接地电极被制造成，与所述第二底部接地电极组合起来支持第二共面 波导(CPW)，该第二共面波导连接在所述第二信号端口和所述第二馈线之间。
12.如权利要求1所述的器件，其中所述ECRLH基本单元中的电路元件包括分立的 电路元件。
13.如权利要求1所述的器件，其中所述E-CRLH基本单元被构造成在低频率范围起 低通滤波器的作用，在高频率范围起高通滤波器的作用，并且所述低通滤波器的上边沿 和所述高通滤波器的下边沿之间的隔离带等于或者大于25dB。
14.如权利要求13所述的器件，其中所述低通滤波器在SOOMHz-2170MHz的频率波 段内，所述高通滤波器具有2.3GHz-6.0GHz的频率波段。
15.—种滤波器器件，其包括E-CRLH基本单元结构，由常规CRLH (OCRLH)单元和双CRLH (D-CRLH)单元的非线性组合形成；所述C-CRLH单元的串联电感LR和串联电容CL的组合，该组合产生串联谐荡wSE ；所述C-CRLH单元的并联电感LL和并联电容CR的组合，该组合产生并联谐振“SH ；所述D-CRLH单元的串联电感LR’和串联电容CL’的组合，该组合产生串联谐振 ω SE'；以及所述D-CRLH单元的并联电感LL’和并联电容CR’的组合，该组合产生并联谐振山 SH'， 其中 ω SE 禾口 “ SH' 基本相等， ω SH 禾口 ω SE' 基本相等。
16.如权利要求15所述的滤波器器件，其中LR/CR与LL，/CL，基本相等。
17.如权利要求15所述的滤波器器件，其中LR、CL、LL、CR、LR’、CL，、 LL’、CR’以及它们的组合被调整，以匹配滤波器的输入和输出阻抗。
18.如权利要求15所述的滤波器器件，其中所述串联电感LR被调整，以匹配滤波器 的输入和输出阻抗。
19.如权利要求15所述的滤波器器件，其中所述基本单元结构包括多个的E-CRLH基本单元结构。
20.如权利要求15所述的滤波器器件，其中所述E-CRLH基本单元连接到低通滤波器。
21.如权利要求15所述的滤波器器件，其中所述e-crlh基本单元连接到高通滤波器。
22.如权利要求15所述的滤波器器件，其中所述e-crlh基本单元的串联电感lr、 串联电容cl、并联电感ll、并联电容cr、串联电感lr，、串联电容cl’、并联电感 ll'和并联电容cl’布置连接成形成所述e-crlh单元的对称的单元结构，其中所述 e-crlh单元的输入端和输出端具有共同的电路结构。
23.—种滤波器器件，其包括c-crlh基本单元结构，其包括多个常规crlh(c-crlh)单元，其中第一 crlh(c-crlh)单元连接到第二 crlh(c-crlh)单元；所述第一 crlh(c-crlh)单元的串联电感lrl和串联电容cll的组合，该组合产生串联谐振ω8ε1 ；所述第一 crlh (c-crlh)单元的并联电感lll和并联电容crl的组合，该组合产生并联谐振ω·；所述第二 crlh (c-crlh)单元的串联电感lr2和串联电容cl2的组合，该组合产 生串联谐振ω8ε2 ；且所述第二 crlh (c-crlh)的并联电感ll2和并联电容cr2的组合，该组合产生并 联谐振osh2，其中cosei和cose2基本相等，且cosm和cosh2基本相等。
24.如权利要求23所述的滤波器器件，其中lr1、clullu cru lr2、cl2、 ll2、cr2、以及它们的组合被调节，以匹配滤波器的输入和输出阻抗。
25.如权利要求23所述的滤波器器件，其中lrl和lr2参数被调节，以匹配滤波器 的输入和输出阻抗。
26.如权利要求23所述的滤波器器件，其中所述常规crlh(c-crlh)单元结构连接 到低通滤波器。
27.如权利要求23所述的滤波器器件，其中所述常规crlh(c-crlh)单元结构连接到高通滤波器。
28.全印刷扩展复合左右手(e-crlh)超材料结构，其包括第一金属化层，其被制造成包括第一信号端口、连接到所述第一信号端口的第一 馈线、连接到所述第一馈线的第一发射台、以及与所述第一发射台相分离并电容性连接 到所述第一发射台的第一单元接线片、与所述第一单元接线片间隔开并连接成从所述第 一单元接线片接收信号的第二单元接线片、与所述第二单元接线片相分离并电容性连接 到所述第二单元接线片的第二发射台、连接到所述第二发射台的第二馈线，以及连接到 所述第二馈线的第二信号端口；第二金属化层，被制造成包括第一导电单元接线片，该第一导电单元接线片位于所 述第一金属化层的下面且位于所述第一和第二单元接线片之间；第三金属化层，被制造成包括第二导电单元，该第二导电单元在所述第二金属化层 中的第一导电单元接线片的下面；第一导电过孔，其连接所述第二金属化层中的第一导电单元接线片和所述第三金属 化层中的第二导电单元接线片；第四金属化层，其为所述器件提供接地电极；第一单元过孔，其连接所述第一金属化层上的第一单元接线片和所述第四金属化层 中的接地电极，所述第一单元过孔与所述第一和第二导电单元接线片相分离且不直接接 触；以及第二单元过孔，其连接所述第一金属化层上的第二单元接线片和所述第四金属化层 中的接地电极，所述第二单元过孔与所述第一和第二导电单元接线片相分离且不直接接 触。
29.—种印刷的常规复合左右手(C-CRLH)结构，其包括 顶层，具有多个CPW馈线、顶部接地件、以及多个端口；第一介质基片，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相反的第二侧上的第 二表面，其中所述第一基片的第一表面附着到所述顶层；第二层，具有顶部金属绝缘体金属(MIM)层，其中所述第二层附着到所述第一基片 的第二表面，其中在所述第一基片中形成第一组单元导电过孔连接器，从而产生从所述 顶层到所述第二层的导电路径；第二介质基片，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相反的第二侧上的第 二表面，其中所述第二基片的第一表面附着到所述第二层；第三层，具有主结构，其中所述第三层附着到所述第二基片的第二表面，其中在所 述第二基片中形成第二组单元导电过孔连接器，从而产生从所述第二层到所述第三层的 导电路径；第三介质基片，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相反的第二侧上的第 二表面，其中第三基片的第一表面附着到所述第三层；第四层，具有底部MIM层，其中所述第四层附着到所述第三基片的第二表面； 第四介质基片，具有在第一侧上的第一表面和在与所述第一侧相反的第二侧上的第 二表面，其中所述第四基片的第一表面附着到所述第四层；和第五层，具有底部接地件，其中所述第五层附着到所述第四基片的第二表面，其中 所述顶层、所述顶、第二、第三、第四、和第五层，所述第一、第二、第三、第四和第 五基片，所述单元导电过孔连接器、顶部MIM层、主结构、以及底部MIM层被构造成形 成印刷C-CRLH结构。
30.如权利要求29所述的器件，其中所述第三层被制成包括第一单元接线片、与所述 第一单元接线片相分离并电容性连接到所述第一单元接线片的第一发射台、连接到所述 第一单元接线片的第一馈线、第二单元接线片、与所述第一单元接线片相分离并电容性 连接到所述第一单元接线片的第二发射台。
31.如权利要求30所述的器件，其中所述第一单元接线片和所述第二单元接线片中的 每一个包括第一单元接线片部分、分离的单元接线片部分和将第一和第二单元接线片部 分连接起来的导电线。
32.—种双工器器件，其包括主输入/输出端口，其能够发送和接收具有低波段滤波器和高波段频率的多个信号；低波段输入/输出端口，其能够发送和接收工作在低波段频率的第一信号；带通低波段滤波器，将所述主输入/输出端口连接到所述低波段输入/输出端口，并 具有低插入损耗和尖锐的上波段边沿；高波段输入/输出端口，能够发送和接收工作在高波段频率的第二信号；以及带通高波段滤波器，将所述主输入/输出端口连接到高波段端口，并具有低插入损 耗和尖锐的下波段边沿，其中在所述低波段滤波器的上边沿和所述高波段滤波器的下边沿之间定义的隔离 带，较低。
33.如权利要求32所述的双工器器件，其中在所述低波段滤波器的上边沿和所述高波 段滤波器的下边沿之间的隔离带，低于_25dB。
34.—种设计滤波器电路的方法，其包括识别滤波器电路的目标滤波器性能参数，包括滤波器电路的阻抗、频率波段、以及 滤波器带宽；基于识别出的目标滤波器性能参数以及滤波器电路的阻抗匹配条件，推导出多个的 初始电路参数；评价滤波器电路的脉冲曲线、回波损耗、传输波段和阻抗；以及创建电子数据表，以迭代地优化和验证滤波器电路的电路参数，搜索最终的一组满 足识别目标滤波器性能参数的电路参数。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路包括扩展的复合左右手 (E-CRLH)单元。
36.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器设计包括常规的复合左右手 (C-CRLH)单元。
37.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路包括多个分立的电路元件。
38.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路包括多个全印刷电路元件。
39.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路包括分立电路元件和印刷电路元 件的组合。
40.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路是宽带滤波器。
41.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路是窄带滤波器。
42.如权利要求34所述的方法，其中所述滤波器电路是多波段滤波器。
全文摘要
本发明提供了一种基于超材料结构滤波器设计技术以及滤波器，该超材料结构包括扩展复合左右手超材料的基本单元。
文档编号H03H7/00GK102017404SQ200880124931
公开日2011年4月13日 申请日期2008年11月17日 优先权日2007年11月16日
发明者马哈·埃乔尔 申请人:雷斯潘公司