CN114914647B

CN114914647B - 一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器

Info

Publication number: CN114914647B
Application number: CN202210539598.6A
Authority: CN
Inventors: 杨青慧; 刘凌彤; 牛万金; 杜姗姗; 王明; 樊鑫安; 张怀武
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2042-05-17
Also published as: CN114914647A

Abstract

一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，属于微波磁学器件技术领域。包括金属谐振腔、以及位于金属谐振腔之内的平面化谐振电路，平面化谐振电路包括铁氧体基板和位于铁氧体基板之上的微带电路，微带电路采用四分之一波长短截线耦合方式。本发明采用铁氧体材料作为微带电路地介质基板，实现了可调谐宽带带阻滤波器平面化，在外加偏置磁场下实现了阻带可调；在铁氧体材料的基板上形成微带电路，微带电路为多枝节结构，加强了可调谐带阻滤波器的调谐范围，增强了射频磁场强度，促进铁氧体材料在发生铁磁共振效应时吸收能量，实现了最大阻带深度大、可调谐范围宽的效果，阻带宽度达到5GHz以上，最大阻带深度达到了‑108dB以下。

Description

一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器

技术领域

本发明属于微波磁学器件技术领域，具体涉及一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器。

背景技术

基于铁氧体材料的可调谐带阻滤波器在微波领域里是一类十分重要的电子元器件，其在军工领域广泛应用，尤其是在现代电子战中。面对敌方复杂多变的干扰信号，需要我方在能够及时拦截干扰信号的同时具有灵巧便捷的作战设备，具体体现在宽带接收机前端以实现部分频段或者某个特定频点的微波信号阻隔功能。可调谐带阻滤波器具有调谐范围宽、抑制度高、调谐线性度好等优点，能够代替传统的滤波器组，极大地减小整机体积。铁氧体材料介电常数很高，得到的电路尺寸小，这是减小滤波器体积的原因之一，另外一个原因是铁氧体材料在外加偏置磁场的情况下，发生铁磁共振现象，使得滤波器阻带中心频率随着外加偏置磁场变化而呈现近似线性的变化。

传统的基于铁氧体材料的可调谐带阻滤波器存在加工困难、结构设计复杂、装配难度大等问题。TELEDYNE(TELEDYNE WIRELESS,LLC.Increasing the minimum rejectionbandwidth of a YIG-tuned notch filter using a shunt YIG resonator:US201213632911[P].2015-12-01.)公开了一种基于铁氧体材料的小球形状的谐振器结构，实现了阻带可调谐功能，但基于铁氧体材料的近圆小球极难制造，且小球在装配过程中需要精确调节晶向，除此之外，由于小球体积小使得与小球耦合的电路也同样体积小，不易制造，且加工精度也不易达标。虽然传统的不可调谐带阻滤波器通常是采用平面设计，但是频点单一，不可调谐，如需要多频段使用，则需要多个不同应用频段的带组滤波器组成滤波器组实现多频段调谐，这同样极大地增大了体积。加州大学蔡陈胜团队(C.S.Tsai andG.Qiu,"Wideband Microwave Filters Using Ferromagnetic Resonance Tuning inFlip-Chip YIG-GaAs Layer Structures,"in IEEE Transactions on Magnetics,vol.45,no.2,pp.656-660,Feb.2009,doi:10.1109/TMAG.2008.2010466.)公开了一种基于平面设计的带阻滤波器，采用矩形铁氧体材料对阶跃阻抗带通滤波器进行激发，从而实现阻带可调谐的目的，虽然可调谐带宽较宽，但却存在最大阻带深度小、阻带带宽窄的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，包括金属谐振腔、以及位于金属谐振腔之内的平面化谐振电路；所述平面化谐振电路包括铁氧体基板(1)和位于铁氧体基板之上的微带电路(2)，所述微带电路采用四分之一波长短截线耦合方式，所述微带电路接地。

进一步的，所述金属谐振腔由金属材料制成，内里填充空气。

进一步的，所述微带电路包括：

位于输入端口和输出端口连接线上的多段连接微带线；

位于连接微带线两侧、与连接微带线垂直、间距相等的多个枝节微带线，连接微带线两侧的枝节微带线位于同一直线上；

位于输入端口和第一段枝节微带线之间的、连接微带线一侧的第一枝节微带线；

位于输出端口和最后一段枝节微带线之间的、连接微带线一侧的第二枝节微带线；

其中，第一枝节微带线和第一段枝节微带线之间的间距、第二枝节微带线和最后一段枝节微带线之间的间距与多段枝节微带线之间的间距相等，微带电路为轴对称结构，对称轴垂直于连接微带线。

进一步的，所述连接微带线、枝节微带线、第一枝节微带线和第二枝节微带线的宽度根据滤波器的阻抗要求和连接微带线的段数确定，长度根据滤波器的中心频率确定，段数根据可调谐范围确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，采用铁氧体材料作为微带电路地介质基板，实现了可调谐宽带带阻滤波器平面化，在外加偏置磁场下实现了阻带可调；在铁氧体材料的基板上形成微带电路，微带电路为多枝节结构，加强了可调谐带阻滤波器的调谐范围，增强了射频磁场强度，促进铁氧体材料在发生铁磁共振效应时吸收能量，实现了最大阻带深度大、可调谐范围宽的效果，阻带宽度达到5GHz以上，最大阻带深度也达到了-108dB以下；同时，微带电路结构紧凑，使得得到的可调谐带阻滤波器体积小，功耗小。因此，本发明可调谐宽带带阻滤波器具有结构紧凑、平面化易于集成、小体积、易加工、易装配、易调谐、低功耗、阻带深、阻带带宽宽、阻带调谐范围宽等优点，相比于传统带阻滤波器，满足现代通信器件的设计要求。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器的俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器中，微带电路的结构示意图；

图3为实施例的基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器在强度为3291Oe的外加偏置磁场下的仿真结果图。

图中，(1)为铁氧体基板，(2)为微带电路，(3)为微带电路接地部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图1所示，为本发明提供的一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器的结构示意图；包括金属谐振腔、以及位于金属谐振腔之内的平面化谐振电路；所述平面化谐振电路包括铁氧体基板(1)和位于铁氧体基板之上的微带电路(2)，所述微带电路采用四分之一波长短截线耦合方式，所述微带电路接地，接地方式为打孔接地，所述铁氧体基板也打孔便于微带电路接地。

其中，所述金属谐振腔由金属材料制成，内里填充空气。

其中，所述微带电路的结构如图2所示，包括第一微带线201、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25、第六微带线26、第七微带线27、第八微带线28、第九微带线29、第十微带线210、第十一微带线211、第十二微带线221、第十三微带线231、第十四微带线241、第十五微带线251、第十六微带线261、第十七微带线271、第十八微带线281、第十九微带线291、第二十2101微带线、第二十一微带线2111、第二十二微带线202、第二十三微带线203、第二十四微带线204、第二十五微带线205、第二十六微带线206、第二十七微带线207、第二十八微带线208、第二十九微带线209、第三十微带线2010、第三十一微带线2011、第三十二微带线2012；

第一微带线201、第二十二微带线202、第二十三微带线203、第二十四微带线204、第二十五微带线205、第二十六微带线206、第二十七微带线207、第二十八微带线208、第二十九微带线209、第三十微带线2010、第三十一微带线2011、第三十二微带线2012依次连接，且长度均在1/4波长，形成一条连接微带线；其中，第一微带线201连接RF输入端口，第三十二微带线2012连接RF输出端口；在连接微带线的一侧、由输入端口至输出端口的方向上依次设置与连接微带线垂直的第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25、第六微带线26、第七微带线27、第八微带线28、第九微带线29、第十微带线210，单个微带线的长度和相邻微带线之间的间距均为1/4波长；在连接微带线的另一侧、由输入端口至输出端口的方向上依次设置与连接微带线垂直的第十一微带线211、第十二微带线221、第十三微带线231、第十四微带线241、第十五微带线251、第十六微带线261、第十七微带线271、第十八微带线281、第十九微带线291、第二十2101微带线、第二十一微带线2111，单个微带线的长度和相邻微带线之间的间距均为1/4波长；

第二微带线22和第十二微带线221位于同一直线上，第三微带线23和第十三微带线231位于同一直线上，第四微带线24和第十四微带线241位于同一直线上，第五微带线25和第十五微带线251位于同一直线上，第六微带线26和第十六微带线261位于同一直线上，第七微带线27和第十七微带线271位于同一直线上，第八微带线28和第十八微带线281位于同一直线上，第九微带线29和第十九微带线291位于同一直线上，第十微带线210和第二十2101微带线位于同一直线上；

第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25、第六微带线26、第七微带线27、第八微带线28、第九微带线29、第十微带线210、第十一微带线211、第十二微带线221、第十三微带线231、第十四微带线241、第十五微带线251、第十六微带线261、第十七微带线271、第十八微带线281、第十九微带线291、第二十2101微带线、第二十一微带线2111的一端均打孔接地；

所述微带电路为轴对称结构，对称轴垂直于连接微带线。

当输入信号从第一微带线201输入，经第三十二微带线2012输出时，在垂直于铁氧体基板的方向上施加一定强度的外加偏置均匀磁场，激发铁氧体材料产生铁磁共振现象，此时铁氧体材料吸收能量，且随着外加偏置磁场强度的变化，铁氧体材料铁磁共振的中心频率也随之改变，进而实现了阻带中心频率可调的目的。由于铁氧体材料作为基板，且微带线宽度窄，能激发较强的射频电磁场，进而实现加宽阻带带宽以及加深阻带深度等目的。

实施例

一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，金属谐振腔由不锈钢制成，内里填充空气，金属谐振腔高度为1.06mm；铁氧体基板厚度为140μm，相对介电常数为15；第一微带线201长度为1mm、宽度为0.156mm；第二微带线22长度为1.286mm、宽度为0.253mm；第三微带线23长度为1.56mm、宽度为0.275mm；第四微带线24长度为1.6mm、宽度为0.297mm；第五微带线25长度为1.6mm、宽度为0.303mm；第六微带线26长度为1.58mm、宽度为0.293mm；第十一微带线211长度为1.52mm、宽度为0.154mm；第二十二微带线202长度为1.286mm、宽度为0.192mm；第二十三微带线203长度为1.286mm、宽度为0.17mm；第二十四微带线204长度为1.286mm、宽度为0.137mm；第二十五微带线205长度为1.286mm、宽度为0.129mm。

采用基于有限元法的3D电磁仿真软件对实施例得到的可调谐宽带带阻滤波器进行仿真优化，施加均匀偏置磁场3291Oe时得到的仿真结果如图3所示。由图3可知，该偏置磁场所对应的中心频率f₀＝11.4GHz处产生了较大的阻带带宽，3dB带宽为5.07GHz，最大阻带深度达到-108dB，其中，S₁₁表示回波损耗，S₁₂表示插入损耗；当改变外加偏置均匀磁场的强度为3038Oe～7595Oe时，该滤波器可调谐范围为8.5GHz—24.7GHz，实现了加宽阻带带宽、增大最大阻带深度的目的。

Claims

1.一种基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，其特征在于，包括金属谐振腔、以及位于金属谐振腔之内的平面化谐振电路；所述平面化谐振电路包括铁氧体基板(1)和位于铁氧体基板之上的微带电路(2)，所述微带电路采用四分之一波长短截线耦合方式，所述微带电路接地；

所述微带电路包括：

位于输入端口和输出端口连接线上的多段连接微带线；

2.根据权利要求1所述的基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，其特征在于，所述金属谐振腔由金属材料制成，内里填充空气。

3.根据权利要求1所述的基于铁氧体材料的可调谐宽带带阻滤波器，其特征在于，所述连接微带线、枝节微带线、第一枝节微带线和第二枝节微带线的宽度根据滤波器的阻抗要求和连接微带线的段数确定，长度根据滤波器的中心频率确定，段数根据可调谐范围确定。