一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器及其设计方法，属于太赫兹固态电路技术领域。该滤波器包括依次设置的输入波导、第一膜片、第一谐振腔、第二膜片、第二谐振腔、第三膜片、输出波导；通过改变第一谐振腔、第二谐振腔与相邻膜片的相对位置，在滤波器上阻带或下阻带引入一个独立可控的传输零点，极大提高滤波器的矩形系数，具有极佳的滤波性能；并且该滤波器具有很小的宽深比，整体结构关于E平面对称，能够有效降低加工难度，提高器件良品率，非常适合高精度低成本的数控铣削技术；同时，本发明专利技术提供的滤波器设计方法，能够实现对该滤波器的快速设计。现对该滤波器的快速设计。现对该滤波器的快速设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器及其设计方法


[0001]本专利技术属于太赫兹固态电路
，涉及一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器及其设计方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波是指频率范围在0.1 THz
‑
10 THz内的电磁波。太赫兹波在长波段与毫米波相邻，而在短波段又与红外线有交集，处于宏观电子学和微观光子学的交叉区。如今因为其在物体成像、通信、天文观测、食品检测等多个应用领域展现出了独特的优势，形成了一股太赫兹波研究的科研热潮。
[0003]太赫兹波具有很多微波毫米波和可见光不具有的特质，引起了众多科研工作者的广泛关注。太赫兹波的独特性质主要表现为以下几个方面：宽带特性、光子能量低、穿透性强等；同时太赫兹辐射信噪比高，适合用于高质量成像。鉴于太赫兹波自身的多种优势，使其在安检、通信、医学、空间探索和军事国防领域都有实用价值。
[0004]滤波器在电磁频谱低频段有着悠久的发展历史，具备一套成熟完备的设计制造体系。而固态太赫兹系统中非常重要的太赫兹滤波器，由于具有极短的波长特性，滤波器的物理尺寸成为研究和加工中着重考虑的部分。随着太赫兹技术的愈发成熟，高性能太赫兹滤波器的需求也日渐迫切，相关的研究工作受到了越来越多的重视。
[0005]在太赫兹频段，因为电磁波在微带线中传输损耗较大，所以一般采用矩形波导设计太赫兹滤波器。最常用的就是基于切比雪夫函数的直接耦合滤波器，如图1(a)所示，由多个单模谐振腔级联组成。这种类型的滤波器结构简单、易于加工，但缺点是其频率选择能力不强。在某些应用场景中（例如超外差体制的太赫兹通信中需要高矩形系数的带通滤波器，滤除不需要的边带信号），需要高阶滤波器来提升矩形系数，这就不可避免地导致滤波器插入损耗增大，进而影响系统整体性能。
[0006]另一种提高滤波器频率选择能力的有效方式是通过在滤波器通带附近增加传输零点，进而显著提高滤波器的矩形系数。对于矩形波导滤波器而言，一般通过三种方式引入传输零点。第一种是基于交叉耦合方式的波导滤波器，如图1(b)所示，但是这种结构的滤波器设计十分复杂，对加工误差灵敏度高，且无法灵活控制传输零点位置。第二种是基于提取极点方式的波导滤波器，如图1(c)所示，但是这种结构主要基于提取集总参数的方式设计滤波器，因此多应用于窄带滤波器。第三种是利用双模或多模谐振腔引入传输零点，这种方式通过控制谐振腔的尺寸，能够自由控制传输零点的位置，设计灵活，因此也是矩形波导滤波器最常用的方式。然而传统的基于TE模式的双模谐振腔的波导滤波器宽深比很大，如图1(d)所示，只能采用关于H面对称的加工方式，但这种加工方式会破坏波导壁电流，当频率上升至太赫兹频段时，滤波器上下腔体间因加工毛刺导致的细微缝隙会极大地恶化滤波器的传输性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术结构复杂、矩形系数低的缺陷，提供一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器及其设计方法。该滤波器通过改变谐振腔与相邻膜片的相对位置，能够在滤波器上阻带或下阻带引入一个独立可控的传输零点，极大提高滤波器的矩形系数，具有极佳的滤波性能；并且该滤波器具有很小的宽深比，且整体结构关于E平面对称，结构简单，能够有效降低加工难度，提高器件良品率，非常适合高精度低成本的数控铣削技术。同时，本专利技术还提供了该滤波器的设计方法，能够实现对该滤波器的快速设计。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，包括依次设置的输入波导、第一膜片、第一谐振腔、第二膜片、第二谐振腔、第三膜片、输出波导；其特征在于，所述滤波器的传输模式为TE
101
模式与TM
110
模式；所述第一谐振腔、第二谐振腔、输入波导、输出波导的宽边尺寸相同；所述输入波导、第一膜片、第二膜片、第三膜片、输出波导的中轴线位于同一直线上，以该中轴线作为基准线；所述第一谐振腔、第二谐振腔在窄边方向关于基准线向上或向下偏移。
[0009]进一步地，所述第一谐振腔、第二谐振腔在窄边方向关于基准线偏移的尺寸范围为0.15mm
‑
0.3mm。
[0010]进一步地，所述输入波导和所述输出波导的窄边尺寸相同；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的窄边尺寸不同。
[0011]进一步地，所述输入波导和输出波导为WR
‑
4标准矩形波导。
[0012]进一步地，所述第一谐振腔、第二谐振腔的窄边取值范围为0.8mm
‑
1mm，沿轴向的长度取值范围为0.7mm
‑
0.8mm。
[0013]进一步地，所述第一膜片、第二膜片、第三膜片的宽边取值范围为0.5mm
‑
0.6mm，窄边取值范围为0.3mm
‑
0.4mm，沿轴向的长度取值范围为0.1mm和0.6mm。
[0014]本专利技术提出的基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，能够引入两种谐振模式和一个传输零点。其工作原理为：在谐振腔中TE
101 模式关于y坐标（轴向）不变，TM
110 模式的 Hx 场分量是y轴相对于波导横截面中心的奇函数。因此，当耦合窗口关于基准线发生偏移时，输入输出的相对符号发生变化（相位变化），模式间能量抵消从而产生传输零点。
[0015]本专利技术还提供了基于上述太赫兹波导滤波器的设计方法：一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器的设计方法，包括以下步骤：S1、确定滤波器的设计指标，包括中心频率、工作带宽、矩形系数；S2、根据滤波器的中心频率选定标准波导的具体型号，进而确定第一谐振腔、第二谐振腔、输入波导、输出波导的宽边尺寸a；S3、根据滤波器的中心频率和工作带宽，通过控制双模谐振腔中TM
110
模式与TE
101
模式的谐振频率与谐振频率在频谱中的相对位置在滤波器上/下阻带引入传输零点，确定第一谐振腔和第二谐振腔的轴向长度、窄边尺寸；具体地，在滤波器下阻带引入传输零点时，首先根据工作带宽选定TM
110
模式的谐振频率与TE
101
模式的谐振频率，且，利用式(1)和式(2)计算第一谐
振腔的轴向长度和窄边尺寸；在滤波器上阻带引入传输零点时，根据工作带宽选定TM
110
模式的谐振频率与TE
101
模式的谐振频率，且，利用式(1)和式(2)计算第二谐振腔的轴向长度和窄边尺寸； (1) (2)其中，c为光速，l为谐振腔的轴向长度、b为谐振腔的窄边尺寸；S4、确定第一谐振腔和第二谐振腔的尺寸后，调节第一谐振腔与第二谐振腔窄边方向关于基准线的偏移量，控制两种模式间的耦合强度，进而控制传输零点与滤波器工作频带的距离，满足滤波器的矩形系数指标；S5、通过仿真软件对滤波器进行整体优化，最终得到符合设计指标的滤波器。
[0016]本专利技术的有益效果：1. 本专利技术基于TE
101
模式与TM
110
模式引入传输零点，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，包括依次设置的输入波导、第一膜片、第一谐振腔、第二膜片、第二谐振腔、第三膜片、输出波导；其特征在于，所述滤波器的传输模式为TE
101
模式与TM
110
模式；所述第一谐振腔、第二谐振腔、输入波导、输出波导的宽边尺寸相同；所述输入波导、第一膜片、第二膜片、第三膜片、输出波导的中轴线位于同一直线上，以该中轴线作为基准线；所述第一谐振腔、第二谐振腔在窄边方向关于基准线向上或向下偏移。2.如权利要求1所述的一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔、第二谐振腔在窄边方向关于基准线偏移的尺寸范围为0.15mm
‑
0.3mm。3.如权利要求1或2所述的一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，其特征在于，所述输入波导和所述输出波导的窄边尺寸相同；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的窄边尺寸不同。4.如权利要求3所述的一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，其特征在于，所述输入波导和输出波导为WR
‑
4标准矩形波导。5.如权利要求3所述的一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔、第二谐振腔的窄边取值范围为0.8mm
‑
1mm，沿轴向的长度取值范围为0.7mm
‑
0.8mm。6.如权利要求5所述的一种基于双模谐振腔的太赫兹波导滤波器，其特征在于，所述第一膜片、第二膜片、第三膜片的宽边取值范围为0.5mm
‑
0.6mm，窄边取值范围为0.3mm
‑
0.4mm，沿轴向的长度取值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，丰益年，牛中乾，胡怡，张季聪，刘洋，陈智，樊勇，杨晓帆，杨晓波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：