本發(fā)明屬于多頻帶脈沖波濾波器。具體涉及一種基于電容式非線性電路的多頻帶脈沖波濾波器。

背景技術(shù)：

1、在無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有很重要的意義，基于電容式非線性電路的濾波器憑借著其高靈活性與可調(diào)性，能對(duì)電磁波進(jìn)行更加精準(zhǔn)的控制，相較于單頻帶濾波器能根據(jù)不同入射波形(脈沖寬度)選擇性過濾其中的電磁波信號(hào)，基于電容式非線性電路的多頻帶濾波器能在多個(gè)頻率對(duì)不同波形的電磁波信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確的選擇性過濾，故基于電容式非線性電路多頻帶濾波器是一種具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，引起本領(lǐng)域技術(shù)人員的的關(guān)注。

2、wakatsuchi?h(wakatsuchi?h,long?j,sievenpiper?d?f.waveform?selectivesurfaces[j].advanced?functional?materials,2019,29(11):1806386.)從波形選擇的角度提出了一種加載非線性電路的單頻帶濾波器，其結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，上層為金屬板，下層為介質(zhì)基板，通過在上層金屬板中開一條形孔，并在條形孔內(nèi)加載電容與電阻并聯(lián)的電路以及二極管橋，實(shí)現(xiàn)了單頻帶波形選擇效果，其對(duì)連續(xù)波的透射率達(dá)到了85％,同時(shí)對(duì)脈沖波的透射率低于10％，文章提出的超表面濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在單一頻點(diǎn)下濾波效果優(yōu)秀的優(yōu)點(diǎn)，但缺陷在于僅實(shí)現(xiàn)了單一頻點(diǎn)下的濾波效果，沒有考慮多頻帶情況。

3、hiroki?takeshita(takeshita?h,nita?d,wakatsuchi?h.multi-band?waveform-selective?metasurfaces?and?their?application[c]//2021xxxivth?general?assemblyand?scientific?symposium?of?the?international?union?of?radio?science(ursigass).ieee,2021:1-4.)認(rèn)為波形選擇超表面可以在多頻帶工作，其設(shè)計(jì)的基于電感式非線性電路的條形孔結(jié)構(gòu)通過排列組合能在雙頻帶和四頻帶實(shí)現(xiàn)波形選擇效果，能在多個(gè)頻帶實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖波的高透射率，同時(shí)抑制連續(xù)波的透射，并且通過對(duì)實(shí)際樣品的測(cè)試證實(shí)了這一結(jié)論。但文章設(shè)計(jì)的基于電感式非線性電路的多頻帶連續(xù)波濾波器在四頻帶存在脈沖波透射率偏低的問題，在四頻帶對(duì)脈沖波的透射率僅在40％左右，無法達(dá)到好的濾波效果。

4、min?x等人(min?x,wang?y,du?z,et?al.design?of?a?dual-band?waveformselective?surface[c]//2022internationalapplied)在電容式非線性電路模塊中添加并聯(lián)電容改變諧振頻率的方法，通過改變單元表面結(jié)構(gòu)來改變諧振頻率，并將不同工作頻率的諧振單元組合起來，達(dá)到多頻帶濾波的效果，其單頻帶濾波器是單縫結(jié)構(gòu)，對(duì)連續(xù)波的透射率可以達(dá)到80％，同時(shí)對(duì)脈沖波的透射率低于15％。雙頻帶濾波器是由一個(gè)條形孔諧振單元與一個(gè)“工”字形結(jié)構(gòu)諧振單元組合而成，在狹縫內(nèi)分別加載非線性電路，對(duì)連續(xù)波的透射率達(dá)到了70％，同時(shí)對(duì)脈沖波的透射率低于30％。文章提出的雙頻帶波形選擇超表面通過組合不同結(jié)構(gòu)的諧振單元達(dá)到了雙頻帶波形選擇效果，相較其他文章的基于非線性電路的多頻帶脈沖波濾波器的研究，對(duì)連續(xù)波的透射率有大的提升，同時(shí)也在一定程度上抑制了對(duì)脈沖波的透射率，但缺陷在于對(duì)連續(xù)波的透射率還有優(yōu)化的空間，在高頻段對(duì)連續(xù)波的透射率沒有達(dá)到80％，沒有達(dá)到好的濾波效果，此外文章沒有基于此結(jié)果繼續(xù)研究三頻帶以及四頻帶脈沖濾波器，且僅通過改變結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更多頻帶波形選擇效果比較復(fù)雜。

5、takimoto?k(takimoto?k,takeshita?h,fathnan?a?a,et?al.perfect?pulsefiltering?under?simultaneous?incidence?at?the?same?frequencies?with?waveform-selective?metasurfaces[j].apl?materials,2023,11(8).)在基于非線性電路的多頻帶濾波器的基礎(chǔ)之上添加了延遲線和連續(xù)干擾消除元件實(shí)現(xiàn)了多頻帶的完美連續(xù)波濾波效果，利用電感元件電動(dòng)勢(shì)在初始短時(shí)間段內(nèi)不會(huì)消失的原理，使用基于電感式非線性電路的諧振單元在初始時(shí)間段期間強(qiáng)烈地傳輸短脈沖波波形和連續(xù)波波形，基于電容式非線性電路的諧振單元可以選擇性地提取連續(xù)波波形，再利用延遲線和連續(xù)干擾消除元件構(gòu)成的電路從混合波波形中減去連續(xù)波波形，可以實(shí)現(xiàn)從多個(gè)入射波中提取特定脈沖寬度的脈沖波，從而達(dá)到理想濾波效果。但設(shè)計(jì)的基于非線性電路的多頻帶濾波器實(shí)現(xiàn)單頻帶濾波需要兩個(gè)諧振單元組合，實(shí)現(xiàn)雙頻帶濾波需要四個(gè)諧振單元組合，且每?jī)蓚€(gè)諧振單元都需要另接由延遲線和連續(xù)干擾消除元件構(gòu)成的電路，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能對(duì)脈沖波實(shí)現(xiàn)強(qiáng)過濾和對(duì)連續(xù)波實(shí)現(xiàn)強(qiáng)透射、能過濾多頻帶脈沖波和濾波效果好的基于電容式非線性電路的多頻帶脈沖波濾波器。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：所述基于電容式非線性電路的多頻帶脈沖波濾波器包括以下三種：

3、基于電容式非線性電路的雙頻帶脈沖波濾波器；

4、基于電容式非線性電路的三頻帶脈沖波濾波器；

5、基于電容式非線性電路的四頻帶脈沖波濾波器。

6、所述基于電容式非線性電路的雙頻帶脈沖波濾波器是由第一諧振單元和第二諧振單元聯(lián)接為長(zhǎng)方體，第一諧振單元的下側(cè)面和第二諧振單元的上側(cè)面聯(lián)接；第一諧振單元與第二諧振單元的左側(cè)面平齊，第一諧振單元與第二諧振單元的前平面平齊。

7、所述基于電容式非線性電路的三頻帶脈沖波濾波器是由第一諧振單元、第二諧振單元和第三諧振單元聯(lián)接為長(zhǎng)方體，第一諧振單元的下側(cè)面和第二諧振單元的上側(cè)面聯(lián)接，第二諧振單元的下側(cè)面和第三諧振單元的上側(cè)面聯(lián)接；第一諧振單元、第二諧振單元與第三諧振單元的左側(cè)面平齊，第一諧振單元、第二諧振單元與第三諧振單元的前平面平齊。

8、所述基于電容式非線性電路的四頻帶脈沖波濾波器是由第一諧振單元、第四諧振單元、第五諧振單元和第六諧振單元聯(lián)接為正方體；第一諧振單元的下側(cè)面與第六諧振單元的上側(cè)面聯(lián)接，第四諧振單元的下側(cè)面與第五諧振單元的上側(cè)面聯(lián)接，第四諧振單元左側(cè)面與第一諧振單元的右側(cè)面聯(lián)接，第五諧振單元的左側(cè)面與第六諧振單元的右側(cè)面聯(lián)接；第四諧振單元的上側(cè)面與第一諧振單元的上側(cè)面平齊，第四諧振單元的右側(cè)面與第五諧振單元的右側(cè)面平齊；第一諧振單元、第四諧振單元、第五諧振單元和第六諧振單元的前平面平齊。

9、所述第一諧振單元、第二諧振單元第三諧振單元、第四諧振單元、第四諧振單元、第五諧振單元和第六諧振單元的結(jié)構(gòu)相同，均由金屬板、介質(zhì)基板和電路模塊組成。

10、介質(zhì)基板的前表面緊貼于金屬板的后表面，所述金屬板與介質(zhì)基板的外形均為邊長(zhǎng)l＝24～36mm的正方形平板。

11、金屬板是在材質(zhì)為金屬材料的所述正方形平板開有“十”字狀條形孔，所述“十”字狀條形孔是由相互垂直的水平條形孔和垂直條形孔組成，所述水平條形孔的中心線和垂直條形孔的中心線分別與金屬板對(duì)應(yīng)的垂直邊的中垂線和水平邊的中垂線重合。

12、緊鄰所述垂直條形孔左側(cè)的水平條形孔孔壁的上壁和下壁對(duì)應(yīng)地稱為水平條形孔的左上壁和水平條形孔的左下壁，緊鄰垂直條形孔右側(cè)的水平條形孔孔壁的上壁和水平條形孔的下壁對(duì)應(yīng)地稱為水平條形孔的右上壁和右下壁。

13、在金屬板的“十”字狀條形孔的中心位置處設(shè)置有電路模塊；電路模塊均由全波整流電路、整流電容c、整流電阻r和并聯(lián)電容cpi組成。

14、所述全波整流電路的結(jié)構(gòu)是：第一肖特基二極管的陽極與所述水平條形孔的左上壁連接，第二肖特基二極管的陽極與所述水平條形孔的左下壁連接，第三肖特基二極管的陰極與所述水平條形孔的右上壁連接，第四肖特基二極管的陰極與所述水平條形孔的右下壁連接；第一肖特基二極管的陰極和第二肖特基二極管的陰極連接，第三肖特基二極管的陽極和第四肖特基二極管的陽極連接。

15、整流電容c的一端與第一肖特基二極管陰極連接，整流電容c的另一端與和第三肖特基二極管陽極連接；整流電阻r的一端與第二肖特基二極管陰極連接，整流電阻r的另一端和第四肖特基二極管陽極連接。

16、并聯(lián)電容cpi設(shè)置在第三肖特基二極管和第四肖特基二極管的右側(cè)，并聯(lián)電容cpi一端與水平條形孔的右上壁連接，并聯(lián)電容cpi另一端與水平條形孔的右下壁連接。

17、cpi表示第i諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，i為1～6的自然數(shù)；具體地：

18、cp1表示第一諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，cp1＝0.05～0.3pf；

19、cp2表示第二諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，cp2＝0.4～1.8pf；

20、cp3表示第三諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，cp3＝1.9～2.5pf；

21、cp4表示第四諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，cp4＝0.1～0.8pf；

22、cp5表示第五諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，cp5＝1.8～2.5pf；

23、cp6表示第六諧振單元設(shè)置的并聯(lián)電容，cp6＝0.9～1.5pf。

24、所述金屬板的厚度t2＝0.016～0.020mm；金屬板的材質(zhì)為銅、鋁和銀中的一種。

25、所述介質(zhì)基板的厚度t1＝0.5～5mm；介質(zhì)基板為絕緣材料，所述絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)為1.0～10.0。

26、所述水平條形孔和所述垂直條形孔的長(zhǎng)度l相等；l＝0.85～0.95l，l表示金屬板與和介質(zhì)基板的邊長(zhǎng)，單位為mm。

27、所述水平條形孔和所述垂直條形孔的寬度b相等；b＝5～10mm。

28、所述整流電阻r＝10～500kω。

29、所述整流電容c＝0.1～100nf。

30、所述第一肖特基二極管、第二肖特基二極管、第三肖特基二極管和第四肖特基二極管的型號(hào)相同，均為hsms-286x系列。

31、由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

32、(1)本發(fā)明制備的基于電容式非線性電路的多頻帶脈沖波濾波器基本結(jié)構(gòu)由2～4個(gè)諧振單元組成，每個(gè)諧振單元由金屬板和介質(zhì)基板組成，金屬板的十字狀條形孔的中間位置處設(shè)有電路模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，無需電源或外加電壓控制，可獨(dú)立使用，適用性強(qiáng)。

33、(2)本發(fā)明在諧振單元內(nèi)部采用全波整流電路并聯(lián)電容cpi的方法，使得設(shè)計(jì)的基于電容式非線性電路的多頻帶脈沖波濾波器等效電容增加，工作頻率整體向低頻側(cè)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了脈沖波濾波器工作頻率可調(diào)，且將多個(gè)工作在不同頻率的諧振單元組合在一起，實(shí)現(xiàn)了多頻帶脈沖波濾波效果，在多個(gè)工作頻帶對(duì)脈沖波具有低透射性，同時(shí)對(duì)連續(xù)波具有強(qiáng)透射性。

34、(3)通過本發(fā)明采用的濾波器結(jié)構(gòu)與全波整流電路，使得電磁波入射后，會(huì)在金屬板產(chǎn)生感應(yīng)電流，電路模塊中的二極管橋全波整流輸入波形，并且將大部分入射能量波轉(zhuǎn)化為零頻率分量，當(dāng)短脈沖信號(hào)入射多頻帶脈沖濾波器時(shí)，短脈沖信號(hào)在金屬板產(chǎn)生感應(yīng)電流，再經(jīng)由二極管橋全波整流，電流流入電路模塊中由整流電容c和整流電阻r構(gòu)成的并聯(lián)電路，利用電容器特性，使電荷首先存儲(chǔ)在整流電容c中，再通過并聯(lián)的整流電阻r將入射的脈沖波電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能吸收釋放，從而實(shí)現(xiàn)脈沖波的低透射率；連續(xù)波使整流電容c完全充電后，使得十字狀條形孔結(jié)構(gòu)的固有共振機(jī)制被保持以強(qiáng)烈地透射，在實(shí)現(xiàn)多頻帶脈沖波濾波效果的同時(shí)保護(hù)了電路元件，也同時(shí)保護(hù)了電子元件免受電磁干擾和電磁輻射的影響。

35、本發(fā)明通過在各諧振單元的電路模塊中并聯(lián)不同電容值的電容cpi，產(chǎn)生了多個(gè)不同的諧振點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多頻帶濾波的效果，雙頻帶脈沖波濾波器的連續(xù)波透射率均高于85％，脈沖波透射率均低于25％，三頻帶脈沖波濾波器的連續(xù)波透射率均高于85％，脈沖波透射率均低于20％，四頻帶脈沖波濾波器的連續(xù)波透射率均高于85％，脈沖波透射率均低于15％。

36、因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能對(duì)脈沖波實(shí)現(xiàn)低透射的同時(shí)對(duì)連續(xù)波實(shí)現(xiàn)強(qiáng)透射、能在多頻帶實(shí)現(xiàn)脈沖波濾波效果，且濾波效果好。本發(fā)明適用于通信、雷達(dá)和天線等領(lǐng)域。