本發(fā)明屬于微波電路領(lǐng)域，具體涉及一種小型化復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)寬帶濾波器。

背景技術(shù)：

相較于傳統(tǒng)的右手材料，左手材料具有逆向或反向效應(yīng)，支持后向波傳播。由于它獨(dú)特的負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、亞波長(zhǎng)衍射、逆切倫科夫輻射等電磁特性，使其具有廣泛的應(yīng)用前景，世界范圍內(nèi)左手材料的廣泛研究也推動(dòng)了尤其在微波器件中的相關(guān)應(yīng)用。由于其介電系數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)，能量與波矢量方向相反，所以具有左手定則。

傳統(tǒng)的微波帶通濾波器采用的是平行耦合線濾波器或者交指型濾波器，在傳統(tǒng)諧振電路中，串聯(lián)諧振器一般由1/2波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并聯(lián)諧振器由1/4波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于微帶結(jié)構(gòu)的平行耦合線濾波器而言，采用1/2波長(zhǎng)的微帶線實(shí)現(xiàn)。對(duì)于微帶結(jié)構(gòu)的交指型濾波器而言，采用1/4波長(zhǎng)的微帶線實(shí)現(xiàn)，對(duì)于電路小型化，上述的諧振單元尺寸偏大，不利于實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。

現(xiàn)有的平面結(jié)構(gòu)濾波器里，為了實(shí)現(xiàn)寬帶帶通濾波器，諧振單元之間必須采用強(qiáng)耦合，這樣諧振單元之間的距離就很小，照成加工上的困難，所以，在高頻運(yùn)用中，寬帶濾波器的結(jié)構(gòu)選擇和加工精度之間有很強(qiáng)的制約關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種小型化復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)寬帶濾波器。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種小型化復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)寬帶濾波器，從下至上依次包括背面覆銅層、介質(zhì)基板、正面電路，正面電路包括五個(gè)一端短路一端開路的復(fù)合左右手傳輸線諧振器，每個(gè)復(fù)合左右手傳輸線諧振器包括交指部分、與交指部分連接的直微帶線，交指部分和直微帶線的兩側(cè)各有一個(gè)通孔焊盤，通孔焊盤的中心是用于接地的金屬化通孔，所述五個(gè)復(fù)合左右手傳輸線諧振器平行豎直排列，其中相鄰的兩個(gè)諧振器的交指部分和直微帶線上下交替排列，直微帶線的長(zhǎng)度大于等于交指部分的長(zhǎng)度，交指部分的寬度大于直微帶線的寬度，位于左右兩端的諧振器的直微帶線上分別連接兩條50Ω的微帶線用作輸入輸出端口。

相鄰的兩個(gè)諧振器的交指部分和直微帶線上下交替排列，即當(dāng)一個(gè)諧振器交指部分在下方時(shí)，下一個(gè)諧振器交指部分在上方。這樣耦合度更大，兩個(gè)諧振器之間通過等效電容耦合。

因?yàn)榻恢覆糠值刃щ娐防镫娙萘勘容^小，等效電感也比較小，所以交指長(zhǎng)度比較短，交指數(shù)多，這樣交指寬度自然就大。

作為優(yōu)選方式，交指部分的寬度和直微帶線的寬度之比為1:1～2:1。所述范圍是實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的結(jié)果。

作為優(yōu)選方式，交指部分的長(zhǎng)度和直微帶線的長(zhǎng)度之比為1:1-1:1.5。所述范圍是實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的結(jié)果。

作為優(yōu)選方式，所述各金屬化通孔的直徑都小于λ_g/8，λ_g為本濾波器的波導(dǎo)波長(zhǎng)。通孔直徑小于λ_g/8，才能實(shí)現(xiàn)良好的接地。

作為優(yōu)選方式，通孔焊盤的長(zhǎng)度和寬度大于金屬化通孔的直徑0.2mm以上。

作為優(yōu)選方式，金屬化通孔是指孔壁上用化學(xué)鍍或電鍍方法鍍上一層導(dǎo)電金屬的孔。

作為優(yōu)選方式，介質(zhì)基板的材料為羅杰斯5880。

本發(fā)明的工作原理如下：復(fù)合左右手傳輸線的一個(gè)單元的一端開路，一端由接地通孔短接到地，其原本一側(cè)向下的一個(gè)微帶線分支因短路而被去掉。該含有一個(gè)單元的復(fù)合左右手傳輸線諧振器將有兩個(gè)諧振模式，即n＝1(正1階)和n＝-1(負(fù)1階)，這兩個(gè)諧振模式所對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度分別為π/2和-π/2。將M＝1和n＝±1代入式(1)中，其諧振頻率可以表示為，：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]+\sqrt{{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]}^2-4{\mathrm{\ω}}_{se}^2}{\mathrm{\ω}}_{sh}^2}{2}---\left(1\right)$

其中ω_sh與ω_se分別表征的是等效電路中的并聯(lián)諧振角頻率和串聯(lián)諧振角頻率

${\mathrm{\ω}}_{sh}=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_L}},{\mathrm{\ω}}_{se}=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_R}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_R=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_R}}---\left(3\right)$

該式所得到的兩個(gè)正的諧振頻率中，較低的那個(gè)對(duì)應(yīng)于n＝-1的諧振模式，較高的那個(gè)對(duì)應(yīng)于n＝1的那個(gè)諧振模式。從式(1)可以看出，該含一個(gè)單元的一端短路一端開路的復(fù)合左右手傳輸線諧振器的兩個(gè)諧振模式與它的等效電路中所含的串聯(lián)諧振模式和并聯(lián)諧振模式完全不同，它們是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振混合的結(jié)果。復(fù)合左右手傳輸線諧振器的低階諧振模式的諧振頻率比對(duì)應(yīng)電路中的串聯(lián)諧振模式的諧振頻率和并聯(lián)諧振模式的諧振頻率都要低。在傳統(tǒng)諧振電路中，串聯(lián)諧振器一般由1/2波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并聯(lián)諧振器由1/4波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閺?fù)合左右手傳輸線諧振器的低階諧振模式的諧振頻率比其電路中對(duì)應(yīng)的串聯(lián)諧振模式的諧振頻率和并聯(lián)諧振模式的諧振頻率都要低，所以在實(shí)現(xiàn)該復(fù)合左右手傳輸線的物理結(jié)構(gòu)時(shí)，其對(duì)應(yīng)尺寸大小將比單純的1/2波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)以及1/4波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的尺寸都要小，因此，含一個(gè)單元的一端短路一端開路的復(fù)合左右手傳輸線諧振器將能在小型化的微波元件中找到它的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明含有新型的復(fù)合左右手傳輸線諧振器，與傳統(tǒng)諧振器相比，更加緊湊小型。同時(shí)，同時(shí)5個(gè)諧振器相對(duì)平行排布，相鄰的兩個(gè)諧振器的交指部分和直微帶線上下交替排列，諧振單元之間產(chǎn)生了強(qiáng)耦合，比普通諧振單元的耦合更強(qiáng)，有利于構(gòu)成寬帶帶通濾波器，在實(shí)現(xiàn)寬帶帶通特性的情況下，極大的減小了尺寸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的層狀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明復(fù)合左右手傳輸線諧振器的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明復(fù)合左右手傳輸線諧振器的等效電路圖。

圖5為本發(fā)明俯視圖。

圖6為本發(fā)明濾波器S參數(shù)仿真圖。

圖7為本發(fā)明濾波器S參數(shù)測(cè)試圖。

圖8為本發(fā)明濾波器一個(gè)實(shí)施例的尺寸圖。

圖9為傳統(tǒng)平行線濾波器尺寸圖。

圖10為傳統(tǒng)平行線濾波器S參數(shù)仿真圖。

圖中：1為背面覆銅層，2為介質(zhì)基板，3為正面電路，41和42為50Ω的微帶線，51～55為5個(gè)復(fù)合左右手傳輸線諧振器，6為金屬化通孔，7為交指部分，8為直微帶線，9為通孔焊盤。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

一種小型化復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)寬帶濾波器，從下至上依次包括背面覆銅層1、介質(zhì)基板2、正面電路3，正面電路3包括5個(gè)一端短路一端開路的復(fù)合左右手傳輸線諧振器51～55，每個(gè)復(fù)合左右手傳輸線諧振器包括交指部分7、與交指部分7連接的直微帶線8，交指部分7和直微帶線8的兩側(cè)各有一個(gè)通孔焊盤9，通孔焊盤9的中心是用于接地的金屬化通孔6，所述五個(gè)復(fù)合左右手傳輸線諧振器平行豎直排列，其中相鄰的兩個(gè)諧振器的交指部分和直微帶線8上下交替排列，直微帶線8的長(zhǎng)度大于等于交指部分7的長(zhǎng)度，交指部分7的寬度大于直微帶線8的寬度，位于左右兩端的諧振器的直微帶線8上分別連接兩條50Ω的微帶線41、42用作輸入輸出端口。

相鄰的兩個(gè)諧振器的交指部分和直微帶線8上下交替排列，即當(dāng)一個(gè)諧振器交指部分在下方時(shí)，下一個(gè)諧振器交指部分在上方。這樣耦合度更大，兩個(gè)諧振器之間通過等效電容耦合。

因?yàn)榻恢覆糠值刃щ娐防镫娙萘勘容^小，等效電感也比較小，所以交指長(zhǎng)度比較短，交指數(shù)多，這樣交指寬度自然就大。

優(yōu)選的，交指部分7的寬度和直微帶線8的寬度之比為1:1～2:1。所述范圍是實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的結(jié)果。

優(yōu)選的，交指部分7的長(zhǎng)度和直微帶線8的長(zhǎng)度之比為1:1-1:1.5。所述范圍是實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的結(jié)果。

優(yōu)選的，所述各金屬化通孔的直徑都小于λ_g/8，λ_g為本濾波器的波導(dǎo)波長(zhǎng)。通孔直徑小于λ_g/8，才能實(shí)現(xiàn)良好的接地。

優(yōu)選的，通孔焊盤9的長(zhǎng)度和寬度大于金屬化通孔6的直徑0.2mm以上。

優(yōu)選的，金屬化通孔6是指孔壁上用化學(xué)鍍或電鍍方法鍍上一層導(dǎo)電金屬的孔。

優(yōu)選的，介質(zhì)基板2的材料為羅杰斯5880。

圖4為本發(fā)明復(fù)合左右手傳輸線諧振器的等效電路圖，L_R和C_L是交指部分等效電路圖，C_R/2和2L_L是直微帶的等效電路圖，Open是交指和直微帶交界處。

濾波器的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，俯視圖如圖5所示。仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，該濾波器的中心頻率14GHz，通帶4GHz，相對(duì)帶寬28％，為寬帶帶通濾波器。圖7為該濾波器的測(cè)試結(jié)果，通過測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，該濾波器能夠滿足寬帶濾波要求。

圖8為該濾波器的尺寸圖，作為對(duì)比，圖9為傳統(tǒng)平行線濾波器的尺寸圖，可以看出，使用了新型復(fù)合左右手諧振單元構(gòu)成的濾波器在總體尺寸上比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)濾波器尺寸小，圖10為圖9對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)平行線濾波器仿真結(jié)構(gòu)，可以看出傳統(tǒng)濾波器在指標(biāo)與新型復(fù)合左右手諧振單元構(gòu)成的濾波器相同的情況下，尺寸更大。

本發(fā)明對(duì)每一層厚度，材料沒有具體要求，可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，常見低損耗射頻介質(zhì)板均可滿足要求。

本發(fā)明的工作原理如下：復(fù)合左右手傳輸線的一個(gè)單元的一端開路，一端由接地通孔短接到地，其原本一側(cè)向下的一個(gè)微帶線分支因短路而被去掉。該含有一個(gè)單元的復(fù)合左右手傳輸線諧振器將有兩個(gè)諧振模式，即n＝1(正1階)和n＝-1(負(fù)1階)，這兩個(gè)諧振模式所對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度分別為π/2和-π/2。將M＝1和n＝±1代入式(1)中，其諧振頻率可以表示為，：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]+\sqrt{{\[{\mathrm{\ω}}_{se}^2+{\mathrm{\ω}}_{sh}^2+2{\mathrm{\ω}}_R^2-2{\mathrm{\ω}}_R^{2}cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{2M}\right)\]}^2-4{\mathrm{\ω}}_{se}^2}{\mathrm{\ω}}_{sh}^2}{2}---\left(1\right)$

其中ω_sh與ω_se分別表征的是等效電路中的并聯(lián)諧振角頻率和串聯(lián)諧振角頻率

${\mathrm{\ω}}_{sh}=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_L}},{\mathrm{\ω}}_{se}=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_R}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_R=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_R}}---\left(3\right)$

該式所得到的兩個(gè)正的諧振頻率中，較低的那個(gè)對(duì)應(yīng)于n＝-1的諧振模式，較高的那個(gè)對(duì)應(yīng)于n＝1的那個(gè)諧振模式。從式(1)可以看出，該含一個(gè)單元的一端短路一端開路的復(fù)合左右手傳輸線諧振器的兩個(gè)諧振模式與它的等效電路中所含的串聯(lián)諧振模式和并聯(lián)諧振模式完全不同，它們是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振混合的結(jié)果。復(fù)合左右手傳輸線諧振器的低階諧振模式的諧振頻率比對(duì)應(yīng)電路中的串聯(lián)諧振模式的諧振頻率和并聯(lián)諧振模式的諧振頻率都要低。在傳統(tǒng)諧振電路中，串聯(lián)諧振器一般由1/2波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并聯(lián)諧振器由1/4波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閺?fù)合左右手傳輸線諧振器的低階諧振模式的諧振頻率比其電路中對(duì)應(yīng)的串聯(lián)諧振模式的諧振頻率和并聯(lián)諧振模式的諧振頻率都要低，所以在實(shí)現(xiàn)該復(fù)合左右手傳輸線的物理結(jié)構(gòu)時(shí)，其對(duì)應(yīng)尺寸大小將比單純的1/2波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)以及1/4波長(zhǎng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的尺寸都要小，因此，含一個(gè)單元的一端短路一端開路的復(fù)合左右手傳輸線諧振器將能在小型化的微波元件中找到它的應(yīng)用。

本發(fā)明含有新型的復(fù)合左右手諧振單元，與傳統(tǒng)諧振器相比，更加緊湊小型。同時(shí)，同時(shí)5個(gè)諧振單元相對(duì)平行排布，相鄰的兩個(gè)諧振器的交指部分和直微帶線8上下交替排列，諧振單元之間產(chǎn)生了強(qiáng)耦合，比普通諧振單元的耦合更強(qiáng)，有利于構(gòu)成寬帶帶通濾波器，在實(shí)現(xiàn)寬帶帶通特性的情況下，極大的減小了尺寸。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。