專利名稱：微波帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶通濾波器，具體是一種微波帶通濾波器，更具體是一種磁性光子晶體帶通濾波器。
背景技術(shù)：
在高性能通信系統(tǒng)中，低損耗和高功率容量的濾波器有著十分重要的作用。為了保證信號(hào)波形無畸變的傳輸，小矩形系數(shù)和帶內(nèi)平坦的高性能濾波器是必不可少的器件之一。近年來，隨著寬帶通信技術(shù)受到了越來越多的重視，寬帶濾波器的應(yīng)用變得越來越重要。微波段的寬帶濾波器可以由多種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如微帶線、波導(dǎo)等，但這些結(jié)構(gòu)的濾波器往往不是結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價(jià)昂貴就是性能不夠優(yōu)良，不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)高性能寬帶濾波器的要求。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便的高性能微波帶通濾波器。技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種微波帶通濾波器，包括設(shè)有通孔的基材和由多個(gè)永磁鐵氧體組成的磁性光子晶體，所述永磁鐵氧體位于通孔中。進(jìn)一步的，所述永磁鐵氧體的典型材料為鍶鐵氧體。進(jìn)一步的，所述永磁鐵氧體的形狀為柱狀，典型為圓柱體。進(jìn)一步的， 所述多個(gè)永磁鐵氧體構(gòu)成規(guī)則陣列，典型為正方形的陣列。進(jìn)一步的，所述基材的典型材料為泡沫。進(jìn)一步的，所述基材的介電常數(shù)介于1.05-1.1之間。進(jìn)一步的，所述基材的上表面和下表面分別設(shè)有蓋板。更進(jìn)一步的，所述蓋板的材料為金屬。進(jìn)一步的，所述基材的形狀為矩形。更進(jìn)一步的，所述基材的形狀為正方形；所述基材在垂直于微波傳播方向的兩側(cè)設(shè)有吸波材料。改變永磁鐵氧體的半徑或磁性光子晶體的晶格常數(shù)或基材的材質(zhì)可以設(shè)計(jì)出工作在不同頻段、具有不同帶寬的微波帶通濾波器。濾波性能還與磁性光子晶體的尺寸有關(guān)。工作原理:光子晶體獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)使光子晶體濾波器的帶外抑制能很容易地達(dá)到30dB以上，永磁鐵氧體材料具有高的折射率，使得磁性光子晶體以其背景材料的反差比單純的介質(zhì)材料的光子晶體要大，從而磁性光子晶體濾波器能夠具有較寬的工作帶寬。同時(shí)磁性光子晶體的工作頻率遠(yuǎn)離鐵磁共振頻率，因此材料的損耗較小，也就使磁性光子晶體濾波器具有小的插入損耗。因此，本發(fā)明所述的基于磁性光子晶體的帶通濾波器具有插入損耗低、帶外抑制大、矩形系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)。有益效果:本發(fā)明提出一種由永磁鐵氧體構(gòu)成的磁性光子晶體帶通濾波器(簡(jiǎn)稱“帶通濾波器”或“濾波器”)。這種帶通濾波器不僅具有矩形系數(shù)小、頻帶寬、帶內(nèi)平坦且?guī)?nèi)插入損耗低、帶外抑制高等優(yōu)點(diǎn)，而且還有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。通過改變磁性圓柱的半徑或磁性光子晶體的晶格常數(shù)或基材的材質(zhì)可以設(shè)計(jì)出不同頻段不同帶寬的濾波器。由于采用了永磁鐵氧體材料，濾波器不需要外加偏置磁場(chǎng)，這為基于磁性光子晶體的微波器件的實(shí)際應(yīng)用提供了極為便利的應(yīng)用條件。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的外框是泡沫基材的輪廓。圖2為本發(fā)明的S參數(shù)仿真結(jié)果圖。圖3示出了磁性光子晶體的晶格常數(shù)a對(duì)濾波器性能的影響。圖4示出了磁性圓柱的半徑r對(duì)濾波器性能的影響。圖5示出了磁性光子晶體的尺寸對(duì)濾波性能的影響。圖6為本發(fā)明的S21參數(shù)的測(cè)量結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。圖1示出了本發(fā)明所述的微波帶通濾波器，本實(shí)施例中，其主要包括一個(gè)由5*5個(gè)鍶-永磁鐵氧體圓柱(簡(jiǎn)稱“ 磁性圓柱”)構(gòu)成的磁性光子晶體和泡沫材質(zhì)的基材，鍶-永磁鐵氧體圓柱位于泡沫材質(zhì)的通孔中。磁性光子晶體為四方點(diǎn)陣，a為晶格常數(shù)，r為鍶-永磁鐵氧體圓柱的半徑，本實(shí)施例中，a=8mm, r=2mm。銀-永磁鐵氧體材料的介電常數(shù)為21.5-0.2*i，其中i表示虛部，它在微波段基本上為一個(gè)常數(shù)。圖2示出了磁性光子晶體的陣列大小為8*8時(shí)微波帶通濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，濾波器_3dB的帶寬范圍從10.1GHz到11.8GHz，有近1.7GHz的帶寬，插入損耗小于4dB，帶外抑制大于60dB，矩形系數(shù)(_40dB帶寬和_3dB帶寬之比)為1.68，并且整個(gè)通帶具有很好的平坦度。圖3示出了磁性光子晶體的陣列大小為8*8,保持磁性圓柱半徑r=2mm不變時(shí),改變磁性光子晶體的晶格常數(shù)a對(duì)濾波器性能的影響。晶格常數(shù)a為6mm、8mm、IOmm時(shí)，通帶的中心頻率分別為11.2GHz、10.95GHz、10.8GHz，帶寬分別為3GHz、l.7GHz、l.4GHz，相對(duì)帶寬分別為26.7%、15.5%、13.0%，矩形系數(shù)分別為1.49、1.68、1.78。增大晶格常數(shù)a，濾波器的中心頻率及帶寬將會(huì)降低，矩形系數(shù)將增大，但中心頻率與矩形系數(shù)的變化幅度較小。改變晶格常數(shù)a，對(duì)濾波器的帶外抑制也有一定的影響，但是濾波器依舊具有較大的帶外抑制及較好的帶內(nèi)平坦度。因此，可以靈活地改變磁性光子晶體的晶格常數(shù)a，以滿足不同帶寬的帶通濾波器的設(shè)計(jì)需求。圖4示出了磁性光子晶體的陣列大小為8*8，，保持磁性圓柱的半徑與光子晶體晶格常數(shù)的比值r/a=0.25不變時(shí)，改變磁性圓柱的半徑r對(duì)濾波器性能的影響?？梢钥吹?，隨著半徑r的減小,帶通濾波器濾波頻段將會(huì)向高頻移動(dòng)。半徑r分別取為4mm、2mm、l_時(shí)，通帶的中心頻率分別為5.5GHz、10.95GHz,21.85GHz，帶寬分別為IGHzU.7GHz、3GHz，相對(duì)帶寬分別為18.2%、15.5%、13.7%，矩形系數(shù)分別為1.5、1.68、1.9。隨著半徑r等比地減小，濾波器的中心頻率等比地增加，帶寬也在增加，但相對(duì)帶寬卻減小，同時(shí)矩形系數(shù)略微增大，而濾波器的帶外抑制、帶內(nèi)平坦度基本不受半徑r的影響。因此，可以靈活地改變比值r/a，以滿足不同頻帶的帶通濾波器的設(shè)計(jì)需求。由圖3和圖4的計(jì)算結(jié)果可以知道，在設(shè)計(jì)磁性光子晶體帶通濾波器時(shí)，可以先根據(jù)濾波器頻段的需求確定磁性圓柱半徑r的大小，然后再根據(jù)濾波帶寬的要求，確定晶格常數(shù)a的大小，從而就可以設(shè)計(jì)出任意頻段的帶通濾波器。圖5示出了保持磁性圓柱半徑r=2mm,光子晶體晶格常數(shù)a=8mm不變時(shí),磁性光子晶體的陣列大小對(duì)濾波性能的影響。隨著陣列的減小，濾波器的中心頻率及帶寬保持不變，帶外抑制在減小，矩形系數(shù)在增大，同時(shí)通帶內(nèi)的平坦度也有所降低。當(dāng)陣列大小減小為4*4的時(shí)候，濾波器帶外抑制依舊大于30dB，帶內(nèi)平坦度也依舊很好，而此時(shí)在xy剖面上濾波器僅為一個(gè)邊長(zhǎng)為32_的正方形，相當(dāng)于一個(gè)I元硬幣的大小。因此，采用磁性光子晶體帶通濾波器可以在保證濾 波器性能的同時(shí)通過減小濾波器的大小來構(gòu)建小尺寸的濾波器，也就是說，磁性光子晶體帶通濾波器可以在保持較好性能的同時(shí)還能擁有較小的尺寸。圖6示出了本發(fā)明所述的微波帶通濾波器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。磁性光子晶體的陣列大小為8*8。邊長(zhǎng)64mm*64mm，鑲嵌在介電常數(shù)介于1.05-1.1之間的泡沫材料中，泡沫材料的上下表面分別設(shè)有金屬蓋板，圖中的金屬蓋板是打開的?；脑诖怪庇谖⒉▊鞑シ较虻膬蓚?cè)設(shè)有吸波材料，例如，參見圖1，微波沿X方向傳播，則基材在I方向的兩側(cè)設(shè)有吸波材料，吸波材料可以是泡沫型吸波材料。測(cè)量結(jié)果顯示，在10.1GHz-1l.4GHz間，濾波器有一個(gè)插入損耗小于5dB的通帶，帶外抑制大于50dB，矩形系數(shù)為1.34，同時(shí)濾波器的通帶具有非常好帶內(nèi)平坦度，符合高性能的濾波要求。實(shí)驗(yàn)與仿真相比，除在帶寬、中心頻率上略有差別外，整個(gè)曲線和理論計(jì)算結(jié)果非常好地吻合。
權(quán)利要求
1.一種微波帶通濾波器，其特征在于，包括設(shè)有通孔的基材和由多個(gè)永磁鐵氧體柱組成的磁性光子晶體，所述永磁鐵氧體位于通孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述永磁鐵氧體柱的材料為鍶鐵氧體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述永磁鐵氧體柱的形狀為圓柱體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述多個(gè)永磁鐵氧體柱構(gòu)成正方形的陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述基材的介電常數(shù)介于I.05-1. I 之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述基材的材料為泡沫。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述基材的上表面和下表面分別設(shè)有蓋板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述蓋板的材料為金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述微波帶通濾波器，其特征在于，所述基材的形狀為矩形。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述微波帶通濾波器 ， 其特征在于，所述基材在垂直于微波傳播方向的兩側(cè)設(shè)有吸波材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波帶通濾波器，包括設(shè)有通孔的基材和由多個(gè)永磁鐵氧體柱組成的磁性光子晶體，所述永磁鐵氧體位于通孔中。本發(fā)明的微波帶通濾波器具有頻帶寬，帶外抑制高，帶內(nèi)平坦等濾波特性，同時(shí)還有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H01P1/215GK103219572SQ20131013561
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者伍瑞新, 顧艷 申請(qǐng)人:南京大學(xué)