中心金属条溅射ITO薄膜均衡滤波SSPPs传输线及滤波器

中心金属条溅射ito薄膜均衡滤波sspps传输线及滤波器
技术领域：
1.本发明属于微波柔性滤波器技术领域，由柔性pet材料制作并工作于微波频段且同时具备带内幅度均衡与带外干扰滤波功能的滤波器，涉及一种中心金属条溅射ito薄膜均衡滤波sspps传输线及滤波器。


背景技术：

2.现有宽带无线电子设备中，由电磁空间传播、微波器件频响等在频带内不同频率处造成的幅度起伏差异最大可达10db，这种幅频响应不平坦可以引起无线电信号畸变，影响快速傅里叶变换的信噪比，降低无线设备数字信号解调的质量，增加误码率。目前这种幅度均衡多在数字域进行处理，然而在电子设备向射频直接采样发展的新趋势中，宽频带数字幅度均衡处理面临资源使用过多，抽头系数繁琐，乘法器功耗过高等新难题，给信处资源带来巨大挑战。虽然目前存在硬件上能够实现的微波幅度均衡器，但大多数采用馈线加载分立电阻与四分之一波长谐振线的谐振结构，在整个频谱上具有连续的周期寄生响应，当级联在电子设备前端时，容易影响滤波器通过各种技术手段才能够实现的高阻带抑制度，因此需要通过新的方法来改善微波幅度均衡器的周期寄生响应。
3.人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,sspps)微波器件是近年的研究热点。自2004年，人们发现对金属表面添加周期性分布孔可以将表面等离子体频率降低到微波频段后，各种不同结构的sspps开始被提出并用于微波器件设计。与传统tem传输线不同，sspps具有的表面电磁色散性，可以阻止高于渐进频率的电磁能量在结构上的传播。现有的sspps滤波器虽然在通带内综合出了平坦的频率响应，实现了标准的滤波特性，但无法对幅度差异较大的电子系统进行幅度补偿。传统的微波均衡器虽然可以补偿电子系统的幅度不平坦，但当级联到电子系统微波前端后，阻带具有的连续周期寄生频带恶化了滤波器的阻带抑制能力。
4.目前电子系统幅度补偿均在数字信号处理中实现，随着电子设备逐渐支持越来越多的通信标准，导致电子系统的瞬时带宽越来越宽，数字幅度均衡虽然是行业通用的幅度补偿手段，但面对未来宽带或超宽带无线通信应用时需要占用数字器件大量的数字资源，因此需要将幅度均衡放到微波域进行处理。目前存在单一功能的传统微波幅度均衡器，但传统微波幅度均衡器带外存在周期的寄生频带，容易引起电子系统带外抑制的恶化，降低工作性能。如果将微波均衡器和滤波器功能共同实现在一个微波器件上，不仅可以解决现有微波均衡器的周期寄生频带，还可以实现均衡器与滤波器的集成，提高微波无源器件的工作效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种中心金属条溅射ito薄膜均衡滤波sspps传输线及滤波器，其克服了现有技术中存在的传统微波均衡器带外存在的连续周期寄生频带等问题。本发明能进一步提高无线通信系统工作性能与新型微波器件设计效率，具有重要的理论研
究价值与工程指导意义。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种中心金属条溅射ito薄膜均衡滤波sspps传输线，其特征在于：
8.由基本均衡滤波sspps单元级联组成，均衡滤波sspps单元由矩形波纹金属条和ito薄膜组成，ito薄膜均匀溅射在两个矩形波纹金属条之间的矩形中心区域。
9.一种采用中心金属条溅射ito薄膜均衡滤波sspps传输线的滤波器，其特征在于：均衡滤波sspps传输线的两端分别设置有动量匹配转换器，动量匹配转换器与tem传输线连接；动量匹配转换器由深度渐变的矩形波纹槽线和指数渐变地平面构成，深度渐变的矩形波纹槽线两端分别设置有宽度不同的矩形金属条，宽度不同的矩形金属条与中心金属条电气相连，深度渐变的矩形波纹槽线将矩形金属条逐渐转换到50欧姆tem传输线以实现动量匹配，两个指数渐变地平面分别设置在深度渐变的矩形波纹槽线两端以实现tem模式到tm模式的转换。
10.矩形波纹金属条利用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法溅射而成；矩形波纹金属条的表面电阻通过溅射功率、溅射时间、氧气浓度调节以实现滤波器通带内不同的幅度均衡值；通过设置矩形波纹金属条的宽度以控制滤波器低通截止频率的位置。
11.矩形波纹金属条由纳米银导电颗粒喷墨打印制作。
12.在均衡滤波sspps传输线内，均衡滤波sspps单元的数量在1和无穷大之间设置。
13.深度渐变的矩形波纹槽线的深度经过多次线性增加，由0增加至均衡滤波sspps单元的槽深值。
14.均衡滤波sspps单元的数量根据实际使用情况设置，数量≥1。
15.指数渐变地平面满足指数渐变函数y＝f(x)＝c1e
ax
c2，c1和c2为固定常数，α为指数渐变系数。
16.线性增加的次数为五次；均衡滤波sspps单元的数量为四个。
17.矩形波纹金属条宽度h＝14
±
5mm，长度l1＝1.5mm
±
1mm，矩形波纹金属条的表面电阻zs＝5ohm/w
±
20ohm/w；两个矩形波纹金属条之间的ito薄膜宽度w＝1.4
±
1mm，长度l＝3mm
±
1mm；均衡滤波sspps单元的周期p＝6mm
±
2mm；深度渐变的矩形波纹槽线的波纹金属条宽度h1＝3.91
±
1mm，h2＝6.43
±
1mm，h3＝8.95
±
1mm，h4＝11.47
±
1mm，长度l3＝1.5mm
±
1mm，中心金属条宽度w2＝1.4mm
±
1mm，长度l2＝3mm
±
1mm；指数渐变函数参数c1＝0.5
±
0.02和c2＝2.7mm
±
0.2mm，α＝0.14
±
0.005,|x
2-x1|＝25mm
±
0.5mm，|y
2-y1|＝16.05mm
±
0.5mm。
18.与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
19.1、本发明可以解决以下现有微波技术存在的难题：1)传统微波均衡器带外存在的连续周期寄生频带问题；2)宽带电子设备中数字域里进行均衡处理资源占用率大的问题；3)一个微波器件上同时实现带内幅度均衡与带外干扰滤波问题；4)具有幅度均衡功能的微波器件实现结构柔性化的问题。
20.2、本发明通过在周期槽线sspps中心金属条位置处溅射ito薄膜，可在滤波器的通带内有效的引入负斜率的均衡特性，与传统的微波均衡器相比能够同时实现带内的幅度均衡与带外的干扰滤波，克服了传统微波均衡器存在的寄生频带，改善传统微波均衡器在宽带无线电子设备通带外引入的周期寄生响应。通过控制磁控溅射时的溅射功率或溅射时间
或氧气浓度，可对ito薄膜的表面电阻进行控制，进而实现均衡滤波器通带内不同的幅度均衡值。通过对均衡滤波sspps传输线矩形波纹金属条宽度进行控制，能够实现均衡滤波器截止频率位置的调控。将均衡滤波器制作在柔性pet材料上，能够实现滤波器表面能量的柔性传输，使滤波器能够在紧凑电子系统中进行表面共形组装。最终，
21.3、本发明的中心金属条溅射ito薄膜的柔性周期槽线人工表面等离激元微波均衡滤波器，1)在电气性能上可以同时实现宽带内的幅度均衡与宽带外的干扰滤波，提高了微波器件的设计效率，减小宽带系统在数字域中进行幅度均衡时对器件资源的压力；2)在结构上可以柔性装配到宽带电子系统中，有效减小电子设备的重量，实现电子系统高密度的零部件装配。
附图说明：
22.图1是本发明中心金属条溅射ito薄膜的柔性周期微波均衡滤波器的全视图；
23.图2是本发明中心金属条溅射ito薄膜的柔性周期微波均衡滤波器的结构图；
24.图3是本发明中心金属条溅射ito薄膜的柔性周期微波均衡滤波器的安装结构示意图；
25.图4是本发明中心金属条溅射ito薄膜的柔性周期微波均衡滤波器的频率响应特性曲线。
26.图中，1.均衡滤波sspps单元，2.矩形波纹金属条，3.ito薄膜，4.深度渐变的矩形波纹槽线，5.中心金属条，6.指数渐变地平面，7.50欧姆tem传输线，8.宽带天线，9.宽带低噪声放大器一，10.增益放大器二，11.宽带均衡滤波器，12.下变频电路，13.中频滤波器，14.增益放大器三，15.参考晶振，16.频率合成器，17.agc模块，18.a/d转换器，19.微处理器，20.相关通道，21.存储器。
具体实施方式：
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
28.sspps通常具有较宽的上阻带抑制范围，如果将微波均衡器与sspps滤波器进行一体化设计，一次综合同时实现均衡与滤波两种微波功能，不仅可以提高微波器件的设计效率，还可以克服传统微波均衡器的寄生频带，对宽带电子系统幅度差异补偿具有重要的意义。
29.均衡滤波sspps传输线在微波均衡器领域暂未提出，目前还没有相关报道，均衡滤波传输线是在现有sspps传输线上引入ito薄膜，实现各频率电磁能量的不同衰减，即均衡量；同时结合sspps的截止特性，能够同时实现幅度均衡与干扰滤波。均衡和滤波两个功能的结合，不是结构上简单的线性相加，要同时实现均衡滤波功能的独立量化和控制需要解决特性分离与量化的问题，需要对ito薄膜的参数及加载位置、加载方法进行仔细的推敲，才能实现具有均衡滤波特性的sspps传输线。
30.本发明为一种矩形波纹金属条溅射ito薄膜的柔性周期槽线sspps均衡滤波器，所采用的技术方案是：包括50欧姆tem传输线、动量匹配转换器、均衡滤波sspps传输线。均衡
滤波sspps传输线由基本的均衡滤波sspps单元组成，均衡滤波sspps单元为单线结构，没有地平面作为参考，或者认为地平面位于无穷远。均衡滤波sspps单元由ito薄膜、槽线、矩形金属条组成，ito薄膜均匀溅射在两个矩形波纹金属条之间的矩形中心区域，ito薄膜与两个矩形波纹金属条电气上相互连接。ito薄膜可以利用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法溅射而成，ito的表面电阻可通过溅射功率、溅射时间、氧气浓度等手段人为调节，以实现滤波器通带内不同的幅度均衡值；矩形波纹金属条可由纳米银导电颗粒喷墨打印制作，金属条的宽度可人为设置，以控制滤波器低通截止频率的位置。在均衡滤波sspps传输线内，均衡滤波sspps单元的数量可在1和无穷大之间人为设置，也能够实现滤波器通带内幅度均衡值的人为调节。动量匹配转换器由深度渐变的矩形波纹槽线与指数渐变地平面组成。矩形波纹槽线的深度经过多次线性增加，由0增加至均衡滤波sspps单元的槽深值，本发明专利默认为5次；指数渐变地平面满足指数渐变函数y＝f(x)＝c1e
ax
c2，c1和c2为固定常数，α为指数渐变系数，动量匹配转换器能够将50欧姆传输线上的tem传输波平滑转换到tm极化的表面波，同时实现输入输出端口与柔性周期槽线sspps传输线的阻抗匹配。50欧姆tem传输线可由cpw构成。
31.实施例：
32.参见图1和图2，本发明的中心金属条溅射ito薄膜的柔性周期槽线人工表面等离激元微波均衡滤波器(为方便描述，以下简称为柔性sspps微波均衡滤波器)创新点在于：电气性能上在通带内外同时分别实现了频域幅度均衡和干扰滤波，结构上实现了基于pet材料和ito薄膜的柔性微波均衡滤波器，克服了传统微波均衡器带外存在的连续周期寄生频带问题，可以解决现有宽带无线电子系统数字均衡处理占用数字芯片资源大的问题与一个微波器件上同时实现带内幅度均衡与带外干扰滤波的问题。其结构是，包括50欧姆tem传输线i、动量匹配转换器ii、均衡滤波sspps传输线iii。均衡滤波sspps传输线iii由基本均衡滤波sspps单元1级联组成，均衡滤波sspps单元1的数量可根据实际使用情况人为设置，数量≥1，默认设置为4个。均衡滤波sspps单元1为单线结构，没有地平面作为参考，或者认为地平面位于无穷远；均衡滤波sspps单元1由矩形金属条2、ito薄膜3组成，ito薄膜3均匀溅射在两个矩形波纹金属条2之间的矩形中心区域，ito薄膜3与两个矩形波纹金属条2电气上相互连接。ito薄膜3可以利用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法溅射而成，ito薄膜3的表面电阻可通过溅射功率、溅射时间、氧气浓度等手段人为调节，以实现滤波器通带内不同的幅度均衡值；矩形波纹金属条2可由纳米银导电颗粒喷墨打印制作，金属条的宽度h可人为设置，以控制滤波器低通截止频率的位置。均衡滤波sspps传输线iii的两端分别设置有动量匹配转换器ii，动量匹配转换器ii由深度渐变的矩形波纹槽线4和指数渐变地平面6构成，深度渐变的矩形波纹槽线4两端分别设置有宽度不同的矩形金属条，宽度不同的矩形金属条由中心金属条5电气上相连，深度渐变的矩形波纹槽线4将矩形金属条2逐渐转换到50欧姆tem传输线i以实现动量匹配。两个指数渐变地平面6分别设置在深度渐变的矩形波纹槽线4两端以实现tem模式到tm模式的转换，指数渐变地平面6满足指数渐变函数y＝f(x)＝c1e
ax
c2，其中c1和c2为固定常数，α为指数渐变系数。柔性sspps微波均衡滤波器的两端分别设置有cpw共面波导7，用来和传统50欧姆传输线互联。
33.本发明的柔性sspps微波均衡滤波器在3.5ghz(il＝-3.3db)到7.1ghz(il＝-13.1db)的传输通带内实现了-10db的幅度均衡，可对通带幅度差异10db的电子系统进行幅
度均衡。通带内反射系数优于-10db，滤波器的截止频率位于8.0ghz附近，截止特性陡峭，15ghz以下的阻带具备-34db的带外抑制能力，可对带外干扰进行有效的滤波。
34.本发明的柔性sspps微波均衡滤波器主要通过调控ito薄膜3的表面电阻进行滤波器传输通带内幅度均衡值的控制。通过采用合理的结构参数，在滤波器制作时对矩形波纹金属条2的宽度进行人为设置，来调节滤波器的传输截止频率。通过将滤波器制作在pet薄膜上，结构上可以柔性装配到宽带电子系统中，有效减小电子设备的重量，实现电子系统高密度的零部件装配。
35.本发明的柔性sspps微波均衡滤波器在ito薄膜3表面电阻值固定后，还可以通过ito薄膜3的结构长度l和宽度w来调节滤波器通带内的幅度均衡值，长度l越长，宽度w越小，宽通带内的幅度均衡值越大。
36.本发明的柔性sspps微波均衡滤波器在其余参数固定时，还可以通过设置均衡滤波sspps单元1的数量n来调节通带内的幅度均衡值，n的值越大，通带内的幅度均衡值越大。
37.本发明的柔性sspps微波均衡滤波器尺寸参数选择范围是：均衡滤波sspps单元波纹金属条2宽度h＝14
±
5mm，长度l1＝1.5mm
±
1mm；两个波纹金属条之间的矩形ito薄膜3宽度w＝1.4
±
1mm，长度l＝3mm
±
1mm，ito薄膜3表面电阻zs＝5ohm/w
±
20ohm/w；均衡滤波sspps单元1的周期p＝6mm
±
2mm，均衡滤波sspps单元1的数量n≥1。深度渐变槽线4的波纹金属条宽度h1＝3.91
±
1mm，h2＝6.43
±
1mm，h3＝8.95
±
1mm，h4＝11.47
±
1mm，长度l3＝1.5mm
±
1mm，中心金属条5宽度w2＝1.4mm
±
1mm，长度l2＝3mm
±
1mm，指数渐变函数参数c1＝0.5
±
0.02和c2＝2.7mm
±
0.2mm，α＝0.14
±
0.005,|x
2-x1|＝25mm
±
0.5mm，|y
2-y1|＝16.05mm
±
0.5mm。
38.本发明柔性sspps微波均衡滤波器在实际应用时，根据不同的通信场合和应用需要，通过对ito薄膜3表面电阻、均衡滤波sspps单元1的数量n、矩形波纹金属条2的宽度等参数进行搭配选择，来实现滤波器带内不同的幅度均衡值和传输截止频率的控制，来满足不同的应用需求。
39.参照图3，将本发明的柔性sspps微波均衡滤波器应用于宽带无线通信系统接收机中，接收机的主体结构是，包括宽带天线8，宽带天线8依次连接有宽带低噪声放大器一9、增益放大器二10、宽带均衡滤波器11、下变频电路12、中频滤波器13，增益放大器三14与a/d转换18连接，a/d转换18通过相关通道20与微处理器19和存储器21同时互相连接；另外，参考晶振15通过频率合成器16与下变频电路12(另一输入端)连接，增益放大器三14连接有agc模块17。
40.上述的宽带天线8和宽带低噪声放大器一9共同构成天线单元；
41.上述的增益放大器二10、宽带均衡滤波器11、下变频电路12、中频滤波器13、增益放大器三14、参考晶振15、频率合成器16和agc模块17一起构成下变频电路单元；
42.上述的a/d转换18、微处理器19、相关通道20和存储器21一起构成基带信号处理单元。
43.宽带均衡滤波器11采用本发明前述的柔性sspps微波均衡滤波器。
44.宽带低噪声放大器一9选用如qorvo公司的lna模块qpl9503，增益放大器二10和增益放大器14选用mini_circuit公司的era-3sm ，中频滤波器13选用mini_circuit公司的sxbp-29 。
45.下变频电路12选用analog公司的ltc5555。
46.基带信号处理单元选用北京太速科技公司的fmcj457模拟数字采集板卡和kc705e fpga基带处理卡。
47.上述的这些电路模块或单元都是系统电路，根据不同的应用需求还可以选用其他相关的具体型号进行组合设计。
48.本实施例中的柔性sspps微波均衡滤波器的具体参数设置是：均衡滤波sspps单元波纹金属条2宽度h＝14mm，长度l1＝1.5mm；两个波纹金属条2之间的矩形ito薄膜3宽度w＝1.4，长度l＝3mm，ito薄膜3表面电阻zs＝5ohm/w；均衡滤波sspps单元1的周期p＝6mm，均衡滤波sspps单元1的数量n》1。深度渐变槽线波纹金属条宽度h1＝3.91mm，h2＝6.43mm，h3＝8.95mm，h4＝11.47mm，长度l3＝1.5mm，中心金属条5宽度w2＝1.4mm，长度l2＝3mm，指数渐变函数参数c1＝0.5
±
0.02和c2＝2.7mm，α＝0.14,|x
2-x1|＝25mm，|y
2-y1|＝16.05mm。输入输出同轴连接线与50欧姆tem传输线i相连，柔性sspps微波均衡滤波器在3.5ghz到7.3ghz的传输通带内实现了-10db的幅度均衡，可对通带幅度差异10db的电子系统进行幅度均衡。通带内反射系数优于-10db，滤波器的截止频率位于8.0ghz附近，截止特性陡峭，15ghz以下的阻带具备-34db的带外抑制能力，可对带外干扰进行有效的滤波。
49.在系统工作时，首先宽带天线8接收微弱的电磁信号，经由宽带低噪声放大器一9和增益放大器二10将信号功率放大到需求的电平后送入宽带均衡滤波器11，宽带均衡滤波器11对系统宽频带内的幅频响应进行补偿并滤除带外干扰信号后进入下变频电路12。同时，参考晶振15(tcxo)的信号也通过频率合成器16进入下变频电路12；再根据不同的应用需要通过下变频电路12将宽带射频信号下变频到中频频率，再经过中频滤波器13和增益放大器三14的自循环回路最后送入末级基带信号处理单元，基带信号处理单元完成基带信号的处理工作。
50.参照图4，是本发明实施例柔性sspps微波均衡滤波器的频率响应特性曲线，由图3可见，均衡滤波器在3.5ghz到7.3ghz的传输通带内实现了-10db的幅度均衡，可对通带幅度差异10db的电子系统进行幅度均衡。通带内反射系数优于-10db，滤波器的截止频率位于8.0ghz附近，截止特性陡峭，15ghz以下的阻带具备-34db的带外抑制能力，可对带外干扰进行有效的滤波。
51.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。