专利摘要

本发明提供了一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；在所述上层基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中心设置一个手指交叉状的交指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下层基板，形成盲孔。基于上述负阶谐振器，本发明还提供了一种耦合谐振滤波器；由多个所述负阶谐振器单元级联构成，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的右端开缝，耦合一个馈电输出部件。

权利要求

1.一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；其特征在于，在所述上层基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中心设置一个手指交叉状的交指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下层基板，形成盲孔。

2.根据权利要求1所述的负阶谐振器，其特征在于，所述上层基板和下层基板的尺寸和负阶谐振器的工作频率有关，工作频率越高，所述上层基板和下层基板的尺寸越小。

3.根据权利要求1所述的负阶谐振器，其特征在于，所述交指电容的长度与所要求的负阶频率有关，负阶频率越低，所述交指电容的长度越长。

4.一种耦合谐振滤波器，根据权利要求1-3之一所述的负阶谐振器实现，所述滤波器由多个所述负阶谐振器单元级联构成，其特征在于，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的右端开缝，耦合一个馈电输出部件。

5.根据权利要求4所述的耦合谐振滤波器，其特征在于，所述负阶谐振器单元的个数n为2-7。

6.根据权利要求5所述的耦合谐振滤波器，其特征在于，所述负阶谐振器的物理尺寸和开缝尺寸通过以下方法确定：

设所述滤波器的相对带宽为FBW，则第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合系数应为：

$\begin{array}{c}{Q}_{e1}=\frac{g_0{g}_1}{\mathrm{FBW}},Q_{\mathrm{en}}=\frac{g_n{g}_{n+1}}{\mathrm{FBW}}\\ M_{i,i+1}=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_i{g}_{i+1}}},i=\mathrm{1,2},...n-1\end{array}---\left(1\right)$

其中，g_i为第i(i＝0,…n+1)个归一化元件值，其中g₀为馈电输入端，g_i(i＝1…n)为n个负阶谐振器，g_n+1为馈电输出端；Q_e1为第一个负阶谐振器的外部品质因数，Q_en为第n个负阶谐振器的外部品质因数；M_i,i+1为第i对负阶谐振器的耦合系数；

根据第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合系数，通过全波仿真确定每个负阶谐振器的物理尺寸；

第i个负阶谐振器和第i+1个负阶谐振器组成的第i对谐振器的两个谐振频率满足：

$M_{i,i+1}=\frac{f_{i1}^2-f_{i2}^2}{f_{i1}^2+f_{i2}^2},i=1,...n-1---\left(2\right)$

其中，f_i1和f_i2分别表示第i对谐振器的低阶模和高阶模的谐振频率；

第一个负阶谐振器外部品质因数：

$Q_{e1}=\frac{2{\tilde{f}}_1}{\Delta {\tilde{f}}_1}---\left(3\right)$

其中， 为该负阶谐振器的最大传输系数对应的频率， 是该负阶谐振器的最大传输系数的3dB带宽；

第n个负阶谐振器外部品质因数：

$Q_{\mathrm{en}}=\frac{2{\tilde{f}}_n}{\Delta {\tilde{f}}_n}---\left(4\right)$

其中， 为该负阶谐振器的最大传输反射响应对应的频率， 是该负阶谐振器的最大传输反射响应的3dB带宽；

根据式(2)得到每个负阶谐振器开缝尺寸w_m、耦合系数M的对应曲线；根据(3)和(4)，得到第一个和第n个负阶谐振器的馈线嵌入深度t₂、外部品质因数Q的对应曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁领域，特别涉及一种负阶谐振器及耦合谐振滤波器。

背景技术

当微波传输线终端匹配时，其上传播的电磁波是行进的，称为行波传播。当微波传输线终端是开路或者短路时，传输线上的电磁波呈现驻波分布，此时传输线即构成谐振器。

在传统的传输线谐振器中，当谐振器结构的物理长度l是半波长的整数倍时，对应的频率即为谐振频率 此时电长度θ＝βl是π的整数倍。由于传统传输线的电长度只能大于0，因此在传统传输线谐振器中仅存在正阶谐振；并且由于其色散曲线是线性的，所以其谐振都是基波 的谐波，也即

随着电磁超材料的迅速发展，作为电磁超材料中的一种，基于复合左右手(Composite Right/Left-Handed，CRLH)结构的传输线得到了广泛关注和应用。CRLH传输线通过在传统传输线的基础上人为地加入左手结构，也即串联电容和并联电感结构，引入一段左手频域。在该区域内，电磁波表现为后向波传播的特性，此时传输线电长度小于0，这就意味着利用该CRLH传输线作为谐振器时，可以产生负阶谐振，即传输线电长度是π的负整数倍。与传统传输线相比，在同样的物理尺寸条件下，CRLH传输线负阶谐振的频率要小于传统传输线的正阶谐振频率。即CRLH传输线负阶谐振器的电尺寸要小于传统传输线正阶谐振器的电尺寸，因此，CRLH负阶谐振器可以实现结构的紧凑性和小型化。

CRLH传输线有多种实现方式，主要分为两大类：平面结构和三维结构。平面结构的CRLH传输线主要有微带结构(参考文献[1]：L.Lei,C.Caloz,and T.Itoh,"Dominant mode leaky-wave antenna with backfire-to-endfire scanning capability,"Electronics Letters,vol.38,pp.1414-1416,2002.)、共面波导结构和基片集成波导结构(参考文献[2]：Y.Dong and T.Itoh,"Composite Right/Left-Handed Substrate Integrated Waveguide and Half Mode Substrate Integrated Waveguide Leaky-Wave Structures,"IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.59,pp.767-775,2011.)等形式。这些结构一般是对外开放的，由于CRLH传输线是工作在快波区域内，因此会向外产生辐射，这一特点可以应用在天线中(参考文献[3]：杨青山，张云华，张祥坤.一种复合左右手传输线型窄带大范围频率扫描天线.中华人民共和国专利，专利号：ZL201210125172.2)。然而，在导波应用中，这些结构会有辐射损耗以及对外部电路干扰等缺点。三维结构的CRLH传输线一般通过在传统矩形波导传播方向上周期性地插入开口谐振环(参考文献[4]：S.Hrabar,J.Bartolic,and Z.Sipus,"Waveguide miniaturization using uniaxial negative permeability metamaterial,"IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.53,pp.110-119,2005.)或者在波导宽边引入周期性的介质填充波纹(参考文献[5]：I.A.Eshrah,A.A.Kishk,A.B.Yakovlev,and A.W.Glisson,"Rectangular waveguide with dielectric-filled corrugations supporting backward waves,"IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.53,pp.3298-3304,2005.)来实现。这种结构的CRLH传输线是一种闭合结构，不会向外产生辐射，然而，其缺点也很明显：结构复杂，加工困难，造价昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的两类CRLH传输线结构的缺陷，提出一种基片集成脊波导(Ridge Substrate Integrated Waveguide:RSIW)结构的负阶谐振器，其结构简单、剖面低，并且不会向外产生辐射；并以该结构的负阶谐振器为单元，提供了一种耦合谐振滤波器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；其特征在于，在所述上层基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中心设置一个手指交叉状的交指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下层基板，形成盲孔。

上述技术方案中，所述上层基板和下层基板的尺寸和负阶谐振器的工作频率有关，工作频率越高，所述上层基板和下层基板的尺寸尺寸越小。

上述技术方案中，所述交指电容的长度与所要求的负阶频率有关，负阶频率越低，所述交指电容的长度越长。

此外，基于上述负阶谐振器，本发明还提供了一种耦合谐振滤波器；由多个所述负阶谐振器单元级联构成，其特征在于，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的右端开缝，耦合一个馈电输出部件。

上述技术方案中，所述负阶谐振器单元的个数n为2-7。

上述技术方案中，所述负阶谐振器的物理尺寸和开缝尺寸通过以下方法确定：

设所述滤波器的相对带宽为FBW，则第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合系数应为：

其中，g_i为第i(i＝0,…n+1)个归一化元件值，其中g₀为馈电输入端，g_i(i＝1…n)为n个负阶谐振器，g_n+1为馈电输出端；Q_e1为第一个负阶谐振器的外部品质因数，Q_en为第n个负阶谐振器的外部品质因数；M_i,i+1为第i对负阶谐振器的耦合系数。

根据第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合系数，通过全波仿真确定每个负阶谐振器的物理尺寸；

第i个负阶谐振器和第i+1个负阶谐振器组成的第i对谐振器的两个谐振频率满足：

其中，f_i1和f_i2分别表示第i对谐振器的低阶模和高阶模的谐振频率；

第一个负阶谐振器外部品质因数：

其中， 为该负阶谐振器的最大传输系数对应的频率， 是该负阶谐振器的最大传输系数的3dB带宽；

第n个负阶谐振器外部品质因数：

其中， 为该负阶谐振器的最大传输反射响应对应的频率， 是该负阶谐振器的最大传输反射响应的3dB带宽；

根据式(2)得到每个负阶谐振器开缝尺寸w_m、耦合系数M的对应曲线；根据(3)和(4)，得到第一个和第n个负阶谐振器馈线嵌入深度t₂、外部品质因数Q的对应曲线。

本发明的优点在于：

1、本发明的负阶谐振器能克服了现有的两种传输线的缺点，具有结构简单、低剖面、低成本，并且不会向外产生辐射的优点；

2、本发明的耦合谐振滤波器具有结构简单、低剖面、低成本，结构紧凑并且不会向外产生辐射的优点。

附图说明

图1是本发明的耦合谐振滤波器的结构示意图；

图2是本发明的负阶谐振器的结构示意图；

图3是本发明中负阶谐振器的结构尺寸示意图；

图4是本发明中负阶谐振器的传输反射响应图；

图5(a)是本发明的负阶谐振器在其负阶谐振点的电场分布图；

图5(b)是本发明的负阶谐振器在其零阶谐振点的电场分布图；

图5(c)是本发明的负阶谐振器在其正阶谐振点的电场分布图；

图5(d)是不加载交指电容的谐振器在其正阶谐振点的电场分布图；

图6是本发明的负阶谐振器的腔体开缝长度的示意图；

图7是本发明的一个负阶谐振器的外部品质因数与馈线嵌入深度的关系图；

图8是本发明的一对负阶谐振器的耦合系数与谐振器腔体开缝长度的关系图；

图9是本发明的实施例的3阶耦合负阶谐振滤波器的仿真和实测的传输反射响应图。

具体实施方式

在对本发明的具体实施方式做详细说明之前，首先对相关的原理进行说明。

本发明提出的基于RSIW结构的CRLH传输线通过多层印制电路板加工技术实现，其中脊平面位于两层介质基板中间。交指电容开在脊平面，构成左手特性的必要条件之一，串联电容；另一个构成左手特性的并联电感则由RSIW两边的金属过孔来提供。两侧盲孔和通孔的间距要进行适当选择使得从两侧泄露的能量可以忽略。馈电与脊平面相连，为了与外部电路连接，中间层的馈线通过盲孔转换到底层平面上，参考图1的滤波器两端馈电结构。可见这种结构也是一种平面的CRLH传输线结构，具有低剖面、低重量、低成本、易与平面电路结合等优点，同时还具备了其它平面结构的CRLH传输线所不具备的优点，即结构封闭，不向外产生辐射。

如图2所述，一种负阶谐振器，包括相同尺寸的上层基板和下层基板；在上层基板和下层基板之间设置一块方形金属片；在所述金属片的中心设置一个手指交叉状的交指电容；在所述上层基板和下层基板的四边均开有周期排列的金属孔，该孔贯穿两层基板，形成通孔；在所述金属片的上、下两侧分别开有一排周期排列的金属孔，该孔从金属片贯通至下层基板，形成盲孔。

所述上层基板和下层基板的尺寸和负阶谐振器的工作频率有关，工作频率越高，所述上层基板和下层基板的尺寸尺寸越小。

所述交指电容的长度与所要求的负阶频率有关，负阶频率越低，所述交指电容的长度越长。

如图2和图3所示，作为所述负阶谐振器的一个实施例，上层基板和下层基板采用Rogers RT/Duroid 6002，介电常数为2.94，损耗角正切tanδ＝0.0012，上层基板的厚度为：h₁＝0.254mm；下层基板的厚度为：h₂＝0.508mm。两侧的金属化盲孔和通孔直径分别为d₁＝0.3mm和d₂＝0.35mm。为了分析其单元传输响应，采用微带线与脊平面连接，对该终端短路的腔体谐振器直接耦合。利用电磁仿真软件CST Microwave Studio，可以得到该谐振器的传输反射响应，如图4所示。

作为对比，对不加载交指电容的谐振器进行了仿真，尺寸均与上述负阶谐振器相同，其传输反射响应如图4所示。可以看出，负阶谐振器的两个谐振频率要远远小于不加载交指电容谐振器的谐振频率，也即说明了利用该负阶谐振器的这两个谐振能够实现微波器件的小型化。在负阶谐振器单元中，理论上存在三个谐振，如图5(a)所示，-1阶谐振发生在5.5GHz左右，该频点处谐振器的电尺寸为-π；如图5(b)所示，0阶谐振发生在8.8GHz左右；如图5(c)所示，+1阶谐振发生在17.2GHz处。如图5(d)所示，对于不加载交指电容的谐振器，其只有一个+1阶谐振发生在16.35GHz处。可以看出，图5(a)和图5(c)的电场分布与图5(d)类似，均为半波长谐振。

此外，基于上述负阶谐振器，本发明还提供了一种耦合谐振滤波器；由多个所述负阶谐振器单元级联构成，所述多个负阶谐振器单元之间通过腔体开缝进行耦合；在第一个负阶谐振器的左端开缝，耦合一个馈电输入部件；在最后一个负阶谐振器的右端开缝，耦合一个馈电输出部件。

所述负阶谐振器单元的个数n为2-7。

所述负阶谐振器的物理尺寸和开缝尺寸通过以下方法确定：

根据所述滤波器的参数，计算第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数；将相邻的负阶谐振器两两组对，计算每对负阶谐振器的内部耦合系数；

设所述滤波器的相对带宽为FBW，则第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合系数应为：

其中，g_i为第i(i＝0,…n+1)个归一化元件值，其中g₀为馈电输入端，g_i(i＝1…n)为n个负阶谐振器，g_n+1为馈电输出端；Q_e1为第一个负阶谐振器的外部品质因数，Q_en为第n个负阶谐振器的外部品质因数；M_i,i+1为第i对负阶谐振器的耦合系数。

根据第一个和第n个负阶谐振器的外部品质因数、第i对负阶谐振器的内部耦合系数，通过全波仿真确定每个负阶谐振器的物理尺寸；

第i个负阶谐振器和第i+1个负阶谐振器组成的第i对谐振器的两个谐振频率满足：

其中，f_i1和f_i2分别表示第i对谐振器的低阶模和高阶模的谐振频率；

第一个负阶谐振器外部品质因数：

其中， 为该负阶谐振器的最大传输系数对应的频率， 是该负阶谐振器的最大传输系数的3dB带宽；

第n个负阶谐振器外部品质因数：

其中， 为该负阶谐振器的最大传输反射响应对应的频率， 是该负阶谐振器的最大传输反射响应的3dB带宽；

根据式(2)得到每个负阶谐振器开缝尺寸w_m、耦合系数M的对应曲线；根据(3)和(4)，得到第一个和第n个负阶谐振器馈线嵌入深度t₂、外部品质因数Q的对应曲线。

如图1所示，作为本发明的滤波器的一个具体实施例：一个3阶耦合谐振滤波器，其中心频率为5.5GHz，即工作在负阶谐振器的-1阶谐振频率上；相对带宽FBW为6％，选定波纹幅度L_Ar为0.1dB的3阶切比雪夫低通原型，5个归一化元件值分别为g₀＝g₄＝1，g₁＝g₃＝1.0316，g₂＝1.1474，则根据公式(1)该滤波器的外部品质因数和耦合系数为：

Q_e1＝Q_e3＝17.19

M₁₂＝M₂₃＝0.055

利用CST Microwave Studio软件仿真一对级联的负阶谐振器，建立耦合系数与实际物理尺寸之间的关系。经过仿真得到这对谐振器的高阶模谐振频率和低阶模谐振频率，并且根据公式(2)计算谐振器之间的耦合系数。如图7所示，随着缝隙宽度w_m的增大，两个谐振器之间的耦合也在增大；不断调整w_m的值，使耦合系数等于0.055。

外部品质因数通过仿真两端加载的单个谐振器来获得；通过改变微带馈线的嵌入深度t₂控制谐振器的外部品质因数，通过公式(3)和(4)计算外部品质因数，如图8所示，不断调整t₂的值，使外部品质因数等于17.19。

根据以上的分析，可以设置3阶耦合谐振滤波器的初始尺寸：p＝6.7mm,w₁＝5.8mm,w₂＝6.95mm,w₃＝1.2mm,t₁＝0.6mm,t₂＝0.8mm,lc＝4.55mm,wc＝0.25mm,ws＝0.2mm。

最后利用CST Microwave Studio对滤波器做整体优化；本实例的耦合谐振滤波器的实际尺寸为21.05mm×7.8mm(0.66λ_g×0.25λ_g)，结构很紧凑。如图9所示，滤波器的仿真和实测的传输反射响应具有很好的一致性。该滤波器实测带内插损约为3.3dB，带内回波损耗小于-10dB，实测中心频率为5.5GHz，3dB带宽为420MHz，相对带宽为7.6％，符合设计预期。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

一种负阶谐振器及耦合谐振滤波器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。