一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于濾波技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種由周期結(jié)構(gòu)引入缺陷，從而在非布拉格禁帶中產(chǎn)生兩個(gè)透射峰的雙通道濾波器。一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器，由兩個(gè)規(guī)格參數(shù)相同并具有一定周期結(jié)構(gòu)管壁的管狀金屬波導(dǎo)，和一個(gè)環(huán)狀金屬缺陷組成，環(huán)狀金屬缺陷的位置在兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的管狀金屬波導(dǎo)中間，通過螺紋相連接。本發(fā)明用全新的基于非布拉格共振的原理實(shí)現(xiàn)雙通道濾波。濾波帶寬窄，濾波效果好。新型的高效、低聲耗濾波器。通過改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效調(diào)控濾波器工作頻率。由于其制作工藝簡單可廣泛應(yīng)用于聲功能器件等方面。
【專利說明】
一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于濾波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種由周期結(jié)構(gòu)引入缺陷，從而在非布拉格 禁帶中產(chǎn)生兩個(gè)透射峰的基于非布拉格共振的雙通道濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲波與周期結(jié)構(gòu)的相互作用問題長期以來一直受到各國研究員的關(guān)注和重視，無 論是在消聲降噪，聲學(xué)濾波，還是在最近熱門的聲二極管等生產(chǎn)實(shí)踐和工程應(yīng)用領(lǐng)域，均有 著廣闊的發(fā)展前景。
[0003] 聲波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播問題可以追溯1883年Floquet關(guān)于一維Mathieus方程的 研究。1887年，Ray 1 e i gh率先研究了連續(xù)周期結(jié)構(gòu)中波的傳播特性，指出在連續(xù)周期結(jié)構(gòu)中 存在無波傳播模式的頻率范圍。1953年，Bri 1 louin對波在周期材料中的傳播特性進(jìn)行了系 統(tǒng)深入的研究。20世紀(jì)后期，周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的聲傳播問題得到了廣泛關(guān)注。Nayfeh利用多 尺度產(chǎn)開法很好地解決了周期結(jié)構(gòu)中的共振問題;Bostrom利用Null-Field方法研究了低 階波導(dǎo)模式的頻帶；Bradley則研究了周期波導(dǎo)中的線性問題和耗散問題。1993年， Kushwaha等類比光子晶體第一次明確提出聲子晶體的概念，并對鎳柱在鋁合金基底中形成 的復(fù)合介質(zhì)采用平面波展開方法獲得了在剪切極化方向的彈性波禁帶。1995年，Martinez-Sala等第一次從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了彈性波禁帶的存在。
[0004] 近年來，通過在周期結(jié)構(gòu)中加入缺陷的濾波器也在很多領(lǐng)域申請了專利。2009年， 南京大學(xué)在申請的專利中介紹了一種基于含缺陷折射率層狀周期結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波器。 其特點(diǎn)是在有缺陷的折射率周期性調(diào)制的層狀周期結(jié)構(gòu)中通過不同方式導(dǎo)入一定頻率和 強(qiáng)度的聲波，通過聲波強(qiáng)度的變化調(diào)制層狀周期結(jié)構(gòu)中傳播的缺陷模式的波長，通過聲波 波長的變化達(dá)到單波長-多波長輸出的效果。2012年，太原理工大學(xué)在申請的專利中描述了 一維光子晶體雙通道可見光波段窄帶濾波器。濾波器中由介電材料A/B構(gòu)成的一維光子晶 體的晶格常數(shù)保持不變，僅通過調(diào)整缺陷層的厚度即可實(shí)現(xiàn)在可見光波段同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)濾 波通道。該濾波器為帶有缺陷層的一維光子晶體濾波器，缺陷層厚度小于一維光子晶體的 晶格常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)波長從413nm到626nm可見光波段范圍的雙通道濾波。2015年，中山大學(xué) 在申請的專利中公開了一維多層膜結(jié)構(gòu)的多通道濾波器及其設(shè)計(jì)方法。在多層膜結(jié)構(gòu)中摻 入一個(gè)中心缺陷層C或至少兩個(gè)完全相同的缺陷層C，以及兩個(gè)側(cè)邊缺陷層D;側(cè)邊缺陷層D 與缺陷層C間隔N個(gè)周期的介質(zhì)膜，N大于或等于6;調(diào)節(jié)缺陷層C的參數(shù)，使多層膜結(jié)構(gòu)形成Μ 通道濾波器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是在非布拉格共振理論的基礎(chǔ)之上，通過在周期結(jié)構(gòu)中加入缺陷， 使原周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非布拉格禁帶中產(chǎn)生兩個(gè)透射峰，從而形成一種窄帶的基于非布拉格 共振的雙通道濾波器。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種基于非布拉格共振的雙通道濾波器，由兩個(gè)規(guī)格參數(shù)相同并具有一定周期結(jié) 構(gòu)管壁的管狀金屬波導(dǎo)，和一個(gè)環(huán)狀金屬缺陷組成，環(huán)狀金屬缺陷的位置在兩個(gè)具有相同 結(jié)構(gòu)的管狀金屬波導(dǎo)中間，通過螺紋相連接。
[0008] 所述管狀金屬波導(dǎo)的周期長度λ與平均半徑ro相等，周期起伏參數(shù)￡=0.1^)，即細(xì) 管內(nèi)徑為ro-ε，粗管內(nèi)徑為ro+ε ;兩個(gè)金屬管狀周期波導(dǎo)管壁的周期個(gè)數(shù)各為5個(gè);可通過方 法一：固定缺陷長度L = 0.7 Λ，改變?nèi)毕莅霃絉= (0.4，0.5，0.6··· 1 )r〇，或方法二：固定缺陷 半徑R = 0.9r〇,改變?nèi)毕蓍L度L= (0.5-0.8) Λ，來改變雙通道濾波的頻率。
[0009] 所述的周期結(jié)構(gòu)的管狀金屬波導(dǎo)的管壁材料是不銹鋼或混凝土材料，材料厚度大 于4毫米;所述的環(huán)狀金屬缺陷是與周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)材料相同、厚度相同的金屬圓環(huán);管狀金 屬內(nèi)部中空。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于：
[0011] 1、用全新的基于非布拉格共振的原理實(shí)現(xiàn)雙通道濾波。
[0012] 2、濾波帶寬窄，濾波效果好。
[0013] 3、新型的高效、低聲耗濾波器。
[0014] 4、通過改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效調(diào)控濾波器工作頻率。
[0015] 5、由于其制作工藝簡單可廣泛應(yīng)用于聲功能器件等方面。
【附圖說明】
[0016] 圖1為基于非布拉格禁帶的雙通道濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為組成雙通道濾波器的周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的色散曲線。
[0018] 圖3為雙通道濾波器的透射頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0020] 本發(fā)明提供一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器。它是一種金屬制的管狀波 導(dǎo)，其管壁具有一定的周期結(jié)構(gòu)，金屬管中填充有空氣。在兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)完全相同的波導(dǎo)中 間加入一段缺陷，就會(huì)破壞原周期結(jié)構(gòu)的完整性，從而使聲波能量局域化，產(chǎn)生缺陷模。當(dāng) 聲波入射時(shí)，聲波能量在缺陷處積累，并在原周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)產(chǎn)生的非布拉格禁帶中，產(chǎn)生兩 個(gè)較窄的頻率通帶，從而實(shí)現(xiàn)了雙通道濾波的功能。本發(fā)明利用了一種基于非布拉格共振 的全新的原理，是一種新型的高效、低耗聲雙通道濾波器，并以其簡單的制作工藝在聲功能 器件等方面有著潛在的廣闊應(yīng)用前景。
[0021] 它是由兩個(gè)規(guī)格參數(shù)相同，并具有一定周期結(jié)構(gòu)管壁的管狀金屬波導(dǎo)，和一個(gè)環(huán) 狀金屬缺陷組成，缺陷的位置在這兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中間，兩波導(dǎo)與缺陷通過螺紋 相連接。在沒有加入缺陷即兩個(gè)波導(dǎo)直接相連時(shí)，由于周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非布拉格共振的影 響，會(huì)使譜帶斷裂，產(chǎn)生非布拉格禁帶。而當(dāng)加入缺陷后，周期結(jié)構(gòu)的完整性被破壞，使聲波 局域化形成缺陷模，并且在原周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非布拉格禁帶中產(chǎn)生兩個(gè)透射峰。調(diào)整金屬 波導(dǎo)管壁的尺寸可以調(diào)整非布拉格禁帶的頻率范圍。調(diào)整結(jié)構(gòu)的尺寸可以方便、有效地改 變?yōu)V波器的工作頻率。見說明書附圖1，在兩個(gè)相同參數(shù)的周期的金屬管狀波導(dǎo)中間，加入 一個(gè)金屬環(huán)狀缺陷。金屬管狀周期波導(dǎo)的周期長度Λ與其平均半徑 rQ相等，周期起伏參數(shù)ε = 0.1r〇,即細(xì)管內(nèi)徑為ro-ε，粗管內(nèi)徑為ro+ε。兩個(gè)金屬管狀周期波導(dǎo)管壁的周期個(gè)數(shù)各為 5個(gè)?？赏ㄟ^方法一：固定缺陷長度L = 0.7 Λ，改變?nèi)毕莅霃絉= (0.4,0.5,0.6··· l)r〇,或方 法二：固定缺陷半徑R = 〇 . 9r〇，改變?nèi)毕蓍L度L= (0.5-0.8) Λ，來改變雙通道濾波的頻率， 濾波器的尺寸也可在滿足上述條件下，根據(jù)需求來選擇。見說明書附圖1為濾波器組裝圖， 第一個(gè)具有周期結(jié)構(gòu)金屬管狀波導(dǎo)通過螺紋與缺陷的一端連接，缺陷的另一端再通過螺紋 與另一個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金屬管波導(dǎo)相連。
[0022]周期結(jié)構(gòu)管狀金屬波導(dǎo)的管壁材料可以是不銹鋼或混凝土等聲阻抗較大的材料， 材料厚度大于4毫米。缺陷是與周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)材料相同、厚度相同的金屬圓環(huán)。波導(dǎo)內(nèi)部中 空，無需添加其他材料。
[0023]與傳統(tǒng)的基于布拉格共振理論的濾波器相比，基于非布拉格共振理論的濾波器不 僅可以實(shí)現(xiàn)雙通道濾波，而且非布拉格禁帶中的透射峰更窄，濾波器濾波效果更好。
[0024] 雙通道濾波器結(jié)構(gòu)組裝圖用Visio繪制，詳見說明書附圖1。其結(jié)構(gòu)為兩段相同周 期參數(shù)的變截面金屬管波導(dǎo)和二者中間一段直金屬管組成，金屬管波導(dǎo)與缺陷之間均通過 螺紋緊密連接。
[0025] 管壁呈周期起伏變化的聲波導(dǎo)，對某些頻率的聲波呈導(dǎo)通狀態(tài)，從而形成通帶;但 對某些頻率的聲波呈阻斷狀態(tài)，從而形成禁帶。這種聲波導(dǎo)管壁的周期性可產(chǎn)生復(fù)雜的聲 波傳輸模式和頻譜結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過周期波導(dǎo)的頻率小于高階模的截止頻率時(shí)，在波導(dǎo)內(nèi)只有 基模傳輸，當(dāng)頻率增大到超過高階模的截止頻率時(shí)，便會(huì)激發(fā)出高階模。在波導(dǎo)中，布拉格 共振是由基模相互作用產(chǎn)生的，而非布拉格共振是由基模和高階模相互作用產(chǎn)生的。布拉 格共振與非布拉格共振都會(huì)使譜帶分裂，從而形成布拉格禁帶和非布拉格禁帶。
[0026] 布拉格共振與非布拉格共振的頻率與周期起伏結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系如下：
[0027]
[0028] 其中，c為聲速，f為透射譜的中心頻率，p為第p階橫向模式，為一階Bessel函數(shù) 的零點(diǎn)，P = (U j,"二{α 3.831入7.0156,10.1735..…丨.r?是周期變截面波導(dǎo)的平均內(nèi)徑，Λ是 波導(dǎo)的周期長度，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，η的取值為0，1，2,3···
[0029] 在具有特定周期結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中，由于其結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，使其具有禁帶和通帶的特 性。引入缺陷后，會(huì)在局部破壞其原有的周期性，并產(chǎn)生新的譜帶結(jié)構(gòu)，由缺陷產(chǎn)生的頻率 通帶會(huì)出現(xiàn)在無缺陷時(shí)的禁帶范圍內(nèi)，這些禁帶中的新通帶被稱為缺陷態(tài)，相應(yīng)的本征模 被稱為缺陷模。由于缺陷模的頻率處于無缺陷結(jié)構(gòu)的禁帶中，導(dǎo)致大量的聲能量都被局域 在缺陷當(dāng)中，并由于強(qiáng)烈的共振作用又使得聲波在原非布拉格禁帶中傳播。在我們所設(shè)計(jì) 的周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，非布拉格禁帶中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)缺陷模，從而實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)雙通道濾波的功 能。
[0030] 圖1為基于非布拉格禁帶的雙通道濾波器的結(jié)構(gòu)，它是由兩段具有相同周期結(jié)構(gòu) 參數(shù)的變截面金屬管狀波導(dǎo)，和二者中間一段直金屬管缺陷組成，周期波導(dǎo)與缺陷均由螺 紋相連接，聲波從濾波器左端入射。
[0031] λ為周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的周期長度 [0032] Π )為周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的平均內(nèi)徑
[0033] ε為周期起伏參數(shù)，取ε=〇· lro
[0034] L為缺陷的長度
[0035] R為缺陷的半徑
[0036] 如圖2所示，藍(lán)色實(shí)線為基模的參考曲線，紅色實(shí)線為一階模的參考曲線，虛線為 具有周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的色散曲線。由于周期結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)使基模與一階模相互作用，產(chǎn)生非 布拉格共振，從而使譜帶發(fā)生斷裂，形成非布拉格禁帶，頻率范圍在3400-4000HZ左右。
[0037] 如圖3所示，在周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中引入缺陷后，會(huì)在原非布拉格禁帶頻率范圍內(nèi)出現(xiàn) 兩個(gè)透射峰，從而實(shí)現(xiàn)了雙通道濾波。并且透射峰的帶寬較窄，濾波效果較好。
[0038] 在圖1的濾波器結(jié)構(gòu)中，周期波導(dǎo)的周期長度Λ與波導(dǎo)的平均半徑rQ相等，波導(dǎo)的 周期起伏參數(shù)ε=〇.?Λ?？晒潭ㄈ毕蓍L度L = 0.7A，改變?nèi)毕莅霃絉=(0.4,0.5,0.6~l) ro，或固定缺陷半徑R = 0.9，改變?nèi)毕蓍L度L= (0.5,0.6,0.7,0.8)Λ。缺陷兩端各有一個(gè)具 有周期結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，周期個(gè)數(shù)為五，只要滿足上述條件，濾波器尺寸可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。 波導(dǎo)與周期結(jié)構(gòu)均通過螺紋相連接。
[0039] 在圖3中，以缺陷長度為0.8 Λ，缺陷半徑為〇.9r〇的雙通道濾波器為例，左邊相對 低頻的透射峰記為第一個(gè)透射峰，右邊相對高頻的透射峰記為第二個(gè)透射峰。第一個(gè)透射 峰的中心頻率為3457Hz，透射峰的高度（即透過率)為0.76，半強(qiáng)頻寬為2.5Hz ;第二個(gè)透射 峰的中心頻率為3879Hz。透射峰的高度（即透過率)為0.56，半強(qiáng)頻寬為2Hz。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器，其特征是：由兩個(gè)規(guī)格參數(shù)相同并具有一 定周期結(jié)構(gòu)管壁的管狀金屬波導(dǎo)，和一個(gè)環(huán)狀金屬缺陷組成，環(huán)狀金屬缺陷的位置在兩個(gè) 具有相同結(jié)構(gòu)的管狀金屬波導(dǎo)中間，通過螺紋相連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器，其特征是:所述管狀 金屬波導(dǎo)的周期長度Λ與平均半徑rQ相等，周期起伏參數(shù)ε =〇 . lrQ，即細(xì)管內(nèi)徑為m，粗 管內(nèi)徑為ro+ε;兩個(gè)金屬管狀周期波導(dǎo)管壁的周期個(gè)數(shù)各為5個(gè);可通過方法一：固定缺陷 長度L = 0.7A，改變?nèi)毕莅霃??=(0.4,0.5,0.6-1)^)，或方法二：固定缺陷半徑1? = 0.9^)， 改變?nèi)毕蓍L度L= (0.5-0.8) Λ，來改變雙通道濾波的頻率。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于非布拉格共振的雙通道濾波器，其特征是:所述的周 期結(jié)構(gòu)的管狀金屬波導(dǎo)的管壁材料是不銹鋼或混凝土材料，材料厚度大于4毫米;所述的環(huán) 狀金屬缺陷是與周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)材料相同、厚度相同的金屬圓環(huán);管狀金屬內(nèi)部中空。
【文檔編號】G06F17/50GK105975717SQ201610356562
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】樊亞仙, 劉婷, 桑湯慶, 趙秋玉, 張鷺, 陶智勇
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)