CN107069160B - 一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，属于无线通信和新型人工电磁材料技术领域。其包括：多个正方形的滤波单元，所述滤波单元由4个呈正方形设置的吸收单体拼接而成，吸收单体包括：位于底层的金属滤波层，其厚度为17～36μm；位于中间层的介质层，其厚度为2～6mm；位于表层且金属材质的耦合层，其厚度为17～36μm；其中，耦合层的中部设有通孔并将耦合层分成两部分，且耦合层呈对称结构；相邻的两个吸收单体的通孔方向垂直。本发明结构可以在S波段的高频部分或C波段的低频部分有透射，而在C波段的高频部分和X、Ku波段有很多吸收波段，从而大大提高了信噪比。

Description

一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，属于无线通信和新型人工电磁材料技术领域。
背景技术
在现代通信***中，带通滤波器是很重要的一类器件，如何提高带通滤波器的性能一直是非常重要的研究内容。常规的带通滤波器是让工作频段有很高的透射率，而工作频段以外的电磁波主要是被反射掉，虽然这部分电磁波信号不能通过带通滤波器，但是这些被反射的电磁波信号存在于通信***中，会降低信噪比(signal to noise ratio)。
通常的超材料电磁波吸收器都是由金属-介质-金属组成的三层结构，其底面都是连续的金属膜，金属膜的厚度大于电磁波的穿透深度，从而起到防止电磁波透射的作用，因此通讯频段的电磁波也是无法通过的。在本发明中，我们将通常的超材料电磁波吸收器的底面换成具有一定开孔结构的金属膜，从而使得通讯用的电磁波可以通过，而该结构又具有对带外电磁波信号的吸收能力，从而可以降低噪声的影响，提高信噪比。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，该带通滤波器可有效对带通频段以外的电磁波进行吸收。具体地说，本发明是在S波段的高频部分或C波段的低频部分有透射，而在C波段的高频部分和X、Ku波段有很多吸收波段的带通滤波器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，包括：多个正方形的滤波单元，所述滤波单元由4个呈正方形设置的吸收单体拼接而成，吸收单体包括：
位于底层的金属滤波层，其厚度为17～36μm；
位于中间层的介质层，其厚度为2～6mm；
位于表层且金属材质的耦合层，其厚度为17～36μm；
其中，耦合层的中部设有通孔并将耦合层分成两部分，且耦合层呈对称结构；相邻的两个吸收单体的通孔方向垂直。优选地，通孔的长度方向与耦合层的一侧面平行设置。滤波单元由四个吸收单体组成，其中两个是吸收单体A，另外两个是吸收单体B。吸收单体A和B都由三层结构组成，分别是位于底层的金属滤波层，位于中间层的介质层和位于表层的对称开口环结构。吸收单体A和B的底层金属滤波层和中间介质层都相同，吸收单体B的对称开口环结构由吸收单体A的对称开口环结构旋转90度得到，反之亦然。因此，滤波单元的表层是由四个对称开口环结构组成。
吸收单体A和B中的对称开口环和底层的金属滤波层之间可以产生电谐振或磁谐振。电谐振和磁谐振及其混合谐振模式可以产生很多吸收频段，而耦合层和底层的滤波层具有带通频段，因此就构成了具有吸波功能的微波波段带通滤波器。两种吸收单体A和B的底层金属滤波层和中间介质层相同，吸收单体B的对称开口环结构由吸收单体A的对称开口环结构旋转90度得到，反之亦然。吸收单体A的上下左右是四个吸收单体B，同样吸收单体B的上下左右是四个吸收单体A。该发明的滤波单元具有四度旋转对称性。
进一步地，所述通孔包括位于中部且呈正方形设置的耦合孔和位于耦合孔两侧也呈正方形设置的开孔，优选地，耦合孔边长为a，开孔边长为b，a>b。再优选地，a＝(1.5～2.5)b。通孔呈十字形设置。
每个对称开口环结构包括一个正方形耦合孔和两个正方形开孔。吸收单体A和B的底层金属滤波层的边长小于介质层的边长。因此，带通滤波器的一个滤波单元的底面由四个正方形的金属片、一个十字形开孔以及一个正方形开孔框组成。该发明的滤波单元具有四度旋转对称性，因此由吸收单体A和B所组成的滤波单元向x和y方向进行周期延拓构成的带通滤波器对极化方向分别平行于x轴和y轴的垂直入射线极化电磁波具有相同的吸收和带通特性。
本发明的带通频段的频率范围主要由滤波单元的整体结构参数、介质层厚度以及吸收单体的耦合层和滤波层等结构参数来决定，其中滤波单元的整体结构参数和介质层厚度起主要作用。本发明中的吸收频段由吸收单体A和吸收单体B中不同部位引起的磁谐振或电谐振来决定。本发明中的一个滤波单元由两个吸收单体A和两个吸收单体B组成，因此一个吸收单体的整体尺寸小于滤波单元，所以由吸收单体决定的吸收频段的频率会高于主要由滤波单元整体尺寸决定的带通频段。
进一步地，耦合层、介质层、金属滤波层均为正方形结构，且耦合层、金属滤波层的边长均小于介质层的边长。因此，由四个吸收单体A和B组成的带通滤波器的一个滤波单元的底面由四个正方形的金属片、一个十字形开孔和一个正方形开孔框组成。滤波单元底层的十字形开孔的宽度d为0.8～1.4mm，滤波单元底层的正方形开孔框的宽度为0.4～0.7mm。
本发明的特殊结构设计使得高于带通频率范围内有多个吸收频段存在。
进一步地，底层为金属膜层，优选为铜膜层；介质层为损耗介质，优选为FR-4介质；耦合层为金属层，优选为铜层。
优选地，带通滤波器的滤波单元的边长P为28～30mm。耦合层的边长为L，L＝13～14.2mm，耦合孔的边长为a，a＝6.5～8.5mm，开孔的边长为b，b＝2.5～4mm。
进一步地，滤波单元边长为P，P＝28～30mm。吸收单体的金属滤波层边长为H，H＝13～14.2mm。相邻的吸收单体上的金属滤波层之间的距离为d，d＝0.8～1.4mm。相邻的吸收单体上的耦合层之间的距离为c，c＝0.8～1.4mm。或者，耦合层的侧面至介质层的侧面距离为c/2＝0.4～0.7mm。
进一步地，介质层的厚度在3.2～4.4mm之间时可以有多个比较强的吸收峰。当介质的厚度为2～3.2mm或4.4～6mm时，吸收峰的数量和强度有所下降。
本发明的有益效果为：本发明结构可以在S波段的高频部分或C波段的低频部分有透射，而在C波段的高频部分和X、Ku波段有很多吸收波段，从而大大提高了信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例的一种表层结构示意图。
图2为本发明实施例的一种底层结构示意图。
图3为本发明实施例中的滤波单元的一种结构示意图。
一个滤波单元由两个吸收单体A和两个吸收单体B组成。表层部分耦合层由金属铜制作而成，中间介质层部分是FR-4介质。
图4为本发明实施例中的一个滤波单元的一种正视示意图。
图中a是正方形耦合孔的宽度，大小为6.5～8.5mm。b是对称开口环中的开孔的宽度，也是金属条的宽度，大小为2.5～4mm。c是相邻吸收单体上耦合层之间的宽度，c＝0.8～1.4mm。吸收单体的耦合层边长L＝13～14.2mm。滤波单元的边长P＝28～30mm。
图5为本发明实施例中的一个滤波单元的一种底层示意图。
d是相邻吸收单体上金属滤波层之间的宽度，d＝0.8～1.4mm。H是吸收单体A和B的底层金属滤波层的边长，H＝13～14.2mm。金属滤波层的侧面至介质层的侧面的宽度为d/2＝0.4～0.7mm。
图6为本发明实施例的滤波单元中的吸收单体A的一种结构示意图。
图7为本发明实施例的滤波单元中的吸收单体A的表层结构示意图。
图8为本发明实施例的滤波单元中的吸收单体A的底层结构示意图。
图9为本发明实施例的滤波单元中的吸收单体B的一种结构示意图。
图10为本发明实施例的滤波单元中的吸收单体B的表层结构示意图。
图11为本发明实施例的滤波单元中的吸收单体B的底层结构示意图。
图12为本发明实施例对极化方向分别平行于x轴和y轴的垂直入射线极化电磁波的吸收频谱图。
图13为本发明实施例对极化方向分别平行于x轴和y轴的垂直入射线极化电磁波的透射频谱图。
图14为本发明实施例在6.1GHz处的电流分布图。
图15为本发明实施例在9.06GHz处的电流分布图。
图16为本发明实施例在12.15GHz处的电流分布图。
图17为本发明实施例在12.73GHz处的电流分布图。
图18为本发明实施例在13.64GHz处的电流分布图。
附图说明：
1——耦合层；2——介质层；3——金属滤波层；11——开孔；12——耦合孔；4——吸收单体A；5——吸收单体B；31——十字形开孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例：请参阅附图1至附图18。本发明为一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器。其包括：多个正方形的滤波单元，所述滤波单元由4个呈正方形设置的吸收单体拼接而成，吸收单体包括：位于底层的金属滤波层3，其厚度为17～36μm；位于中间层的介质层2，其厚度为2～6mm；位于表层且金属材质的耦合层1，其厚度为17～36μm；其中，耦合层1的中部设有通孔并将耦合层1分成两部分，且耦合层1呈对称结构；相邻的两个吸收单体的通孔方向垂直。通孔包括位于中部且呈正方形设置的耦合孔12和位于耦合孔12两侧也呈正方形设置的开孔11，优选地，耦合孔12边长为a，开孔11边长为b，a>b。再优选地，a＝(1.5～2.5)b。通孔呈十字形设置。如图3至图5所示，每个滤波单元由两个吸收单体A4和两个吸收单体B5组成。吸收单体的底层金属滤波层3、中间介质层2都相同，吸收单体B5的表层由吸收单体A4的表层对称开口环结构旋转90度得到(如图6、图9所示)。如图8和图11所示，吸收单体A4和B5的底层金属滤波层3的边长小于介质层2的边长，因此在一个滤波单元的底面就形成一个十字形开孔31和一个正方形开孔框(如图5所示)。
该带通滤波器的吸波频段主要由吸收单体的耦合层1和滤波层3的结构参数决定，带通频段范围主要由滤波单元的整体结构参数及介质层2的厚度决定，因此可以根据实际需要调整该带通滤波器的结构参数。该发明在现代通信***中降低噪声影响等领域有重要的应用。
优选地，铜层的厚度为35μm，介质层2的厚度为4mm。当极化方向平行于x轴的线极化电磁波垂直入射时，带通频段中心频率及透射率随滤波单元结构参数的变化如表1所示：
表1带通频段中心频率及透射率随滤波单元结构参数(单位：mm)的变化
Figure GDA0002239643340000051
当本发明中的介质厚度范围是3.2～4.4mm，其它结构参数取表1中的各组数值时，本发明在C波段、X波段和Ku波段的几个主要的吸收峰的中心频率变化范围和吸收率变化范围如表2所示：
表2几个主要的吸收峰的中心频率和吸收率变化范围
Figure GDA0002239643340000061
优选地，滤波单元的尺寸为29.2mm，因此其亚波长的频率范围是10.27GHz以下。但是经过仿真计算发现，该滤波器在10.27～14GHz频段内衍射非常微弱，可以忽略掉。
图12～图18是针对参数为：a＝8mm，b＝3mm，c＝1.2mm，d＝1.2mm，H＝14mm，L＝14mm，P＝29.2mm，铜层的厚度为35μm，介质层2的厚度为4mm时的仿真结果。从图12可以看出，对于极化方向分别平行于x轴和y轴的垂直入射线极化电磁波，该具有吸波功能的带通滤波器在C波段、X波段和Ku波段共有六个比较强的吸收峰和一个比较弱的吸收峰。这六个强吸收峰的吸收率都大于50％，其中大于90％的吸收峰有两个，分别是以9.06GHz为中心频率的吸收峰，吸收率为95.5％；和以13.64GHz为中心频率的吸收峰，吸收率为95.4％。很明显，由于该带通滤波器的结构具有四度旋转对称性，其对极化方向分别平行于x轴和y轴的垂直入射线极化电磁波的吸收曲线重合。
图13给出的是当极化方向分别平行于x轴和y轴的线极化电磁波垂直入射时，该带通滤波器的透射频段的变化规律。其透射频段的中心频率为3.89GHz，透射率为64％，针对极化方向分别平行于x轴和y轴的垂直入射线极化电磁波的透射曲线非常好地重合在一起。
图14至图18给出的是五个吸收比较强的吸收峰处的电流分布图。从图14可以看出以6.1GHz为中心频率的吸收峰主要是由吸收单体A4和吸收单体B5中的电谐振引起的。从图15、图16、图17和图18可以看出以9.06GHz、12.15GHz、12.73GHz和13.64GHz为中心频率的四个吸收峰主要是由吸收单体A4和吸收单体B5中的高阶磁谐振引起的。
以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims (8)

1.一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：其包括多个正方形的滤波单元，所述滤波单元由4个呈正方形设置的吸收单体拼接而成，吸收单体包括：
位于底层的金属滤波层，其厚度为17～36μm；
位于中间层的介质层，其厚度为2～6mm；
位于表层且金属材质的耦合层，其厚度为17～36μm；
其中，耦合层的中部设有通孔并将耦合层分成两部分，且耦合层呈对称结构；相邻的两个吸收单体的通孔方向垂直；
所述通孔包括位于中部且呈正方形设置的耦合孔和位于耦合孔两侧也呈正方形设置的开孔，耦合层形成对称开口环结构；
耦合孔边长为a，开孔边长为b，a>b。
2.根据权利要求1所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：通孔的长度方向与耦合层的一侧面平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：吸收单体的介质层和底层的金属滤波层都具有正方形结构，并且底层的金属滤波层的边长小于介质层的边长。
4.根据权利要求1所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：耦合层中的对称开口环结构为正方形对称开口环结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：底层为铜膜层；介质层为FR-4；耦合层为铜层。
6.根据权利要求1所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：耦合层呈方形设置，耦合层的边长为L，L＝13～14.2mm，耦合孔的边长为a，a＝6.5～8.5mm，开孔的边长为b，b＝2.5～4mm，滤波单元的边长为P，P＝28～30mm。
7.根据权利要求4所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：吸收单体的底层金属滤波层的边长为H，H＝13～14.2mm，滤波单元底层的十字形开孔的宽度d为0.8～1.4mm，滤波单元底层的正方形开孔框的孔的宽度为0.4～0.7mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有吸波功能的微波波段带通滤波器，其特征在于：带通频段位于S波段的高频段或C波段的低频段。
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