一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器的制作方法

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器。

背景技术：

微波通信（microwavecommunication），是使用波长在1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。微波通信由于其频带宽、容量大，可以用于各种电信业务的传送。如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。在微波通信系统中，滤波器是一种波长选择器件，简单的说，就是分离有用和无用信号的器件，在多路复用设备中有着重要作用。随着微波通信的日益发展，频率的资源越来越紧张，发展波分复用系统可以充分利用带宽，扩大传输容量。在波分复用系统中，窄带选频滤波器直接影响整个通信的质量。在高质量通信中，低损耗和高质量波形响应的滤波器是必须的。

窄带滤波器的发展：传统的窄带滤波器往往是以基本的lc及rc低通滤波器为基础而制作成，目前应用最多的微波滤波器是电路滤波器和波导滤波器：

1、最早的滤波器是1917年由美国和德国科学家发明的lc滤波器，属于电路滤波器。一个最简单的lc滤波器由一个电感器件l和电容器件c串联或者并联而成，基本的原理是利用了电感器件的“通低频，阻高频”以及电容器件的“通高频，阻低频”的特性，通过对它们进行串联并联等组合利用使得它们的组合阻抗对某些特定的频率极大或极小，从而起到频率选择作用。经过合理的设计，lc滤波器可以表现出良好的，稳定的滤波性能，包括较大的频带以及低的插入损耗等，一般用在较高频（2-4ghz）电路中。但在实际应用中，由于小电感不容易制作，以及分布参数影响难以估计等原因，一般造价成本高，限制了它的广泛使用；

2、rc滤波器，出现在20世纪70年代，也属于电路滤波器。最简单的rc滤波器通过在负载l两端并联一个电容器件c而形成。利用了电容器件“通高频，阻低频”的特性，由于受到频率的限制，一般用在低频电路中，常常和运算放大器组合使用，构成有源滤波器。但由于电阻r的存在，使得其不能用在大电流电路中，r的存在也带来了损耗，加上元件的绝对值容差的存在，滤波效果不理想；

3、微带滤波器，其等效电路与lc滤波器类似，与之不同的是元件的使用。微带滤波器中，各电容c用特征阻抗为1/c的开路并联短截线代替，各电感l用特征阻抗为l的短路串联短截线代替。将等效的电路及导电材料印制在线路板上，制作成平面电路滤波器。其特点是滤波范围大，一般以ghz衡量，但最大的缺点便是其工作频率的高次谐波常常存在明显的虚假响应，此外微带滤波器中常常还存在着一些不需要的耦合，这些在设计时没有考虑的耦合往往会影响电路实际的频率响应；

4、波导滤波器，属于光学滤波器。波导滤波器由不连续结构和传输线段组成，其中不连续结构提供等效阻抗，而传输线段等效谐振腔。往往作为带通滤波器应用在0.5-10ghz波段。拥有较低的插入损耗以及良好的通带驻波特性和较高的带外衰减。其缺点是不可调制；

5、光子带隙滤波器，是一类基于光子晶体的新型滤波器，特别是微波段，属于起步阶段。光子晶体是一种人工周期排列的介质，其最大的特点是拥有“光子禁带”，即某一段频率内的电磁波无法在其中传播。光子晶体作为滤波器有着其独有的优势：首先是损耗低，一般来说，构成光子晶体结构的介质损耗都很小。其次，“禁带”是其自身的属性，无需其他电路元件即可实现滤波，这一点与波导类似。另外，由于禁带的存在，当光子晶体的周期数足够，其带阻边沿的信号将迅速衰减，可以有效抗电磁干扰，滤波效果理想。当在光子晶体中引入点缺陷时，光子晶体将作为一个带有谐振腔的窄带带通滤波器，能从繁杂的电磁波中直接挑选出特定频率波长的电磁波。经过合理的设计，其可以拥有很宽的禁带宽度以及良好的选频特性,其工作频率范围可以有很大的延伸。但是传统的光子晶体滤波器最大的缺点是无法调谐，一经设计，除非重组，否则其工作频率便无法更改。有一些机械的方法，比如在谐振腔中加入微扰介质，改变介质柱的大小等等都不利于实际应用，还有一些方法，比如通过温度来改变材料的折射率或者引入磁性材料进而控制光子晶体的禁带，会受到周围环境的限制。

传统的电路滤波器属于数字滤波器，在进行滤波时，首先需要将天线接收到的电磁波信号通过数模转换变为电信号，因此，数模转换的分辨率往往需要很高的精确度。其次，在电信号域内处理信息时，电路滤波器往往存在损耗大，滤波效果与设计出入大，造价高等缺点。相比较而言，光滤波器通过对光信号直接处理，滤波效果往往很理想，特别是拥有“禁带”的光子晶体滤波器，拥有良好的滤波特性，包括损耗低，抗电磁干扰，工作频率范围宽等，但是传统的光子晶体滤波器往往存在不可调制的缺点。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器，包括支撑箱、设于所述支撑箱内的等离子体发生装置，所述支撑箱的顶面和底面分别设置有第一接口和第二接口，所述第一接口的内部和第二接口的内部均与所述等离子体发生装置相连接，所述第一接口的外部和第二接口的外部其中之一与驱动电源相连接，另一个与地相连接，所述支撑箱的左侧面设置有矩形波导，所述支撑箱的右侧面设置有光电信号转换装置，所述光电信号转换装置包括光电探测器、与所述光电探测器相连接的信号输出接口。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述矩形波导的宽边长度为17mm-30mm，所述矩形波导的窄边长度为5-15mm。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述支撑箱呈长方体结构。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述支撑箱的尺寸为（180-220）mm×（90-110）mm×（40-60mm）。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述支撑箱由铝合金材质制成。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述支撑箱的内顶面和内底面均设置有支撑板，所述支撑板上设置有孔阵列。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述支撑板的厚度为2-4mm。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述支撑板采用亚克力或聚四氟乙烯材质制成。

本发明一个较佳实施例中，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器进一步包括所述驱动电源为高频高压交流电源。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具有以下有益效果：

（1）等离子体光子晶体制成的滤波器，在禁带范围内，滤波效果良好，透射的频率成分单一性好，且实际效果与设计吻合度高；

（2）制作成本低，整个滤波器只需要一个价格不高的可调电源为其供电即可；

（3）通过等离子体的调节，实现了可调的窄带选频。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的俯视图；

图3是未引入等离子体时，完整的光子晶体产生的禁带图；

图4是未引入等离子体时，滤波器的透射率谱图；

图5是等离子体介电常数的实部和虚部在电磁波波长不变的情况下与等离子体密度的关系图；

图6是不同等离子体密度下滤波器选频的变化图；

图7是本发明优选实施例的滤波器实际的频率响应曲线。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器，包括支撑箱10、设于支撑箱10内的等离子体发生装置，支撑箱10的顶面和底面分别设置有第一接口12和第二接口14，第一接口12的内部和第二接口14的内部均与等离子体发生装置相连接，第一接口12的外部和第二接口14的外部其中之一与驱动电源（图中未示出）相连接，另一个与地相连接，支撑箱10的左侧面设置有矩形波导18，支撑箱10的右侧面设置有光电信号转换装置20，光电信号转换装置20包括光电探测器22、与光电探测器22相连接的信号输出接口24。

本发明优选矩形波导18的宽边长度a为17mm-30mm，矩形波导18的窄边长度b为5-15mm，采用铝合金制成，用以引导tm电磁波的传播。

本发明优选支撑箱10呈长方体结构。支撑箱10的尺寸为（180-220）mm×（90-110）mm×（40-60mm）。支撑箱10采用铝合金材质制成，用于负责电磁波的屏蔽以及对滤波器的结构支撑。支撑箱10的内顶面和内底面均设置有支撑板26，支撑板26上设置有孔阵列（图中未示出）。进一步优选支撑板26的厚度为2-4mm。优选支撑板26采用亚克力材质制成，但并不局限于亚克力材质，也可以为聚四氟乙烯材质制成。

本发明优选驱动电源为高频高压交流电源，进一步优选驱动电源为工作频率为20khz、电压幅值0-30kv可调的高频高压交流电源。

如图2所示，等离子体发生装置包括光子晶体和等离子体放电管，光电探测器22用于检测经过光子晶体滤波所得的电磁波信号并转化为电信号，并由信号输出接口24输出至光电放大电路中。光子晶体由直径为6mm的氧化铝陶瓷棒28（介电常数为9.4）按正六角晶格在xy面内排列，排列周期a=12mm，其中排列周期a指的是相邻氧化铝陶瓷棒28圆心到圆心之间的距离。tm波（电场沿着氧化铝陶瓷棒28轴向偏振）经过矩形波导18进入光子晶体，在光子晶体的作用下，6.5ghz到10ghz内的电磁波将被完全阻止。在光子晶体正中央位置去除一个氧化铝陶瓷棒28，将等离子体放电管放入正中央位置，形成点缺陷，构成一个谐振腔。等离子体放电管包括放电管30和封闭在放电管30内的两个电极（图中未示出），其中一个电极与第一接口12的内部相连接，另一个电极与第二接口14的内部相连接。本实施例中，第一接口12的外部与驱动电源相连接，第二接口14的外部与地相连接，优选放电管30为石英管（介电常数为3.8），放电管30的厚度为1mm、内径为14mm。进一步优选放电管30采用的是商用低压汞灯，型号为雪莱特zw15s15y-z380，放电管30内充入少量水银以及保护气体。支撑板26上设置的孔阵列与多个氧化铝陶瓷棒28和放电管30形成的孔阵列配合，便于将多个氧化铝陶瓷棒28和放电管30限位住。

图3是利用comsol软件仿真得到的未引入等离子体时，完整的光子晶体产生的禁带。图4是利用comsol软件仿真得到的未引入等离子体时，滤波器的透射率谱。在图3和图4的仿真中，为了简化计算，在x轴方向施加了完美磁导体边界，即x轴方向氧化铝陶瓷棒无限周期，y轴方向有7行氧化铝陶瓷棒。

由图3可以看出，光子晶体的禁带宽度约为6.5ghz-10ghz，其透射率低于0.05，且带通边缘及其陡峭，信号的衰减非常快。由图4可以看出，当引入点缺陷后，在8.873ghz左右有一个极其窄的透射峰，其透射率等于1，其q值经过计算约为3000，若不利用其它手段，该滤波器在禁带范围内将只能得到一个频率的信号，无法调谐。

驱动电源启动，放电管30内产生等离子体32。当将等离子体引入谐振腔时，由于等离子体的色散性质，在改变等离子体密度后，谐振腔中介质的折射率将发生细微的减小，并造成透射峰向高频移动。图5是等离子体介电常数的实部和虚部在电磁波波长不变的情况下与等离子体密度的关系图，图6是不同等离子体密度下滤波器选频的变化图。

在仿真中，等离子体碰撞频率（虚部产生的原因）设置为1ghz，在6ghz-11ghz的波段内，等离子体介电常数的虚部为0.005，及其微小，以至于图5中并未表示出来。由图5可以看出，随着等离子体密度的增加，在滤波器选择频率段内，等离子体的介电常数将缓慢减小，并使得谐振腔谐振频率向高频移动。从图6可以看出，当等离子体密度ne从0变化到1×10¹¹cm^-3时，其中ne=0在图中对应的是没有等离子体，透射峰的频率从8.873ghz变化到8.985ghz，调节范围达到100mhz，实际上，通过连续的调节等离子体密度，理论上透射峰的频率移动可以一直变化到10ghz。

图7是本发明优选实施例的滤波器实际的频率响应曲线。由于氧化铝陶瓷棒粗细的不均匀，使得透射峰的位置有略微移动，大概在8.838ghz处，经过计算，其q值约为480。禁带处的电磁波信号衰减得很弱，与透射峰相比，信号强度远远低于后者，并且一直持续到10ghz左右才开始出现较强的信号，这与理论分析符合的很好。当在放电管30两端加上可调电压后，等离子体的密度开始发生变化并控制透射峰的位置，放电中的电流通过电流探针测得，当电流从2.21ma增加到8.13ma时,透射峰的位置从8.838ghz缓慢移动到8.913ghz，并且一直保持着较高的透射率与较窄的频率范围，最终实现了75mhz的带宽的调节范围，这显示了本发明滤波器良好的调波能力。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。