基于Mie谐振的全介质滤波器设计

【摘要】：滤波器作为微波通信中一种十分关键且普遍使用的微波元件,其自身性能的差异会影响整个通信系统的使用。超材料的诞生为滤波器的构造提供了新的思路。由于成本较低、工艺简单、性能优异,全介质左手材料受到广大科学工作者青睐,产生的多种谐振模态也使得其在制作各种光学元件上拥有着突出的优势。人工结构在光学元件的设计中发挥着越发关键的作用,在对超材料微波滤波器进行的研究和结构设计中引入Mie谐振机理,用具有高介电常数的介质结构替代目前广泛应用的金属结构来产生谐振,也就是用介质结构产生的位移电流替代金属结构激发的导电电流,以此构建新式的左手介质材料结构,可进一步发挥左手介质特性的优势,提升滤波器的性能。本文着重研究基于Mie谐振的全介质左手材料构造微波带通滤波器。由于在全介质棒状结构中Mie谐振的第一级磁谐振和第一级电谐振会在同一频率范围内产生杂化耦合效应,因此本文采用全介质左手材料棒状结构。首先,选取高介电、低损耗的钛酸钙(CaTiO3)陶瓷材料,采取多排全介质棒状结构得到了一种微波频段可调的宽带滤波器,该结构产生的杂化耦合模态使其在X波段(8-12GHz)上得到了一个明显的谐振峰。随着其传播方向上层数的增加,利用CST Microwave Studio软件仿真了 5排全介质棒状结构,产生了优异的带通滤波效果,此时滤波器的中心频率为9.20GHz,3dB带宽为532MHz,插入损耗为2dB,且边带陡峭。并对5排陶瓷棒状结构进行仿真,对改变沿y轴方向的排数和尺寸、改变沿x轴方向的尺寸以及改变棒状结构间的中心距离这四个方面进行模拟仿真,系统地分析了这些参数对所设计的带通滤波器的性能产生的影响。进一步地,本文选取钇铁石榴石(YIG)材料,通过对铁氧体棒状结构的优化设计,使得Mie谐振的杂化耦合效应和铁氧体的铁磁共振现象在同一频率范围内产生。利用CST Microwave Studio工具仿真了5排铁氧体棒状结构,得到一个良好的带通滤波效果,此时滤波器中心频率为9.35GHz,3dB带宽为330MHz,通带内插入损耗在1dB左右。并且,当磁场强度由36000e增至42000e,带通滤波器的中心频率由8.80GHz蓝移至9.58GHz,实现了带通滤波器的磁可调特性。