CN103259067A - 一种基于人工表面等离激元的插分滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元的插分滤波器，本发明通过金属光栅环和第一、第二直金属光栅结构的相互耦合及互相干涉，实现插分滤波功能。本发明的直金属光栅和金属光栅环是一种印制在介质基板上的厚度接近零的金属带，尺寸小，单元结构的长度、高度尺寸小于工作波长，厚度远远小于工作波长，可以将表面波传播束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸中，实现能量的高效传输。通过控制金属光栅结构的表面凹槽深度、表面凹槽宽度、表面凹槽的周期性以及直金属光栅和金属光栅环之间的距离来改变金属表面的色散曲线，设计满足工作频段的金属光栅结构。用外伸的同轴线内导体作为金属线来激励金属光栅结构上的表面波。带宽较宽，通带内色散不明显，性能稳定。可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

Description

一种基于人工表面等离激元的插分滤波器

技术领域

本发明属于通信、数据存储和表面技术等领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的插分滤波器。

背景技术

波分复用（WDM）通信技术是当前海地和陆地长途干线中信息传送的主要手段。作为WDM系统中的一种关键器件，具有波长选择能力的插分滤波器的性能将对整个系统产生至关重要的影响。人们已提出了多种插分滤波器结构，但在实现小型高效易集成的滤波器方面依然有较大的难度。

表面等离激元（表面波）不受衍射极限的限制，因而可用于构造小型化元件，在表面技术和通信技术等方面有重要应用。通过采用二维平面等离子体极化激元制成金属薄膜来传播表面等离激元，可在不同频段实现超薄的插分滤波器，该类器件柔韧易弯折，加工方便易于集成，且具有较高传输效率。

因此，需要一种新的插分滤波器以实现上述功能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于人工表面等离激元的插分滤波器。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明基于人工表面等离激元的插分滤波器可采用如下技术方案：

一种基于人工表面等离激元的插分滤波器，第一直金属光栅、第二直金属光栅、金属光栅环和金属线，所述第一直金属光栅和第二直金属光栅设置在所述金属光栅环的两侧，所述第一直金属光栅的一端设置有所述金属线，所述第一直金属光栅、第二直金属光栅和金属光栅环均为人工表面等离激元传输器，所述人工表面等离激元传输器均由周期性排列的金属单元组成，所述金属单元为金属薄膜，所述金属单元的形状为矩形，所述金属单元的长度和宽度均相同，所述金属单元上均设置有垂直于所述人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽，所述凹槽均位于所述人工表面等离激元传输器的同侧，所述凹槽的宽度和深度均相同，所述第一直金属光栅和第二直金属光栅均为长直形，所述金属光栅环为圆环形，所述金属光栅环的凹槽开口背离所述金属光栅环的圆心，所述第一直金属光栅的凹槽的开口和所述第二直金属光栅的凹槽的开口相对设置。

更进一步的，所述基于人工表面等离激元的插分滤波器在PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基板上加工。在微波段可以在PCB板上利用标准的微波电路板加工技术加工，在太赫兹波段可以利用光刻或激光直写技术在硅基底或、石英基底或聚酰亚胺基板等硬基板或柔性基板上加工。具体的，本发明的插分滤波器工作在微波段时：可以在单面电路板上加工，如F4B或FR4电路板，甚至超薄结构的柔性电路板上加工。基底板材的厚度可以为无限薄，或者不需要基底板材的支撑。与微带线相比，该结构不需要地线，可以自由导波，具有非常小的传输损耗。本发明的插分滤波器工作在太赫兹波段时：由于是平面结构，可以利用标准光刻技术或激光直写技术，在硅基底或石英基底上加工微结构。平面化设计易于利用现有微波、毫米波、太赫兹波技术加工，且易于与其他器件集成。

更进一步的，所述金属线为同轴线内导体。

更进一步的，所述基于人工表面等离激元的插分滤波器在柔性薄膜上加工而成。印制在柔性薄膜上，可以弯折、折叠、缠绕、扭曲或者包裹在平滑或不平滑表面上来控制共形表面等离激元的传输。

有益效果：与背景技术相比，本发明基于人工表面等离激元的插分滤波器通过金属光栅环和第一、第二直金属光栅结构的相互耦合及互相干涉，实现插分滤波功能。本发明的第一直金属光栅、第二直金属光栅和金属光栅环是一种印制在介质基板上的厚度接近零的金属带，尺寸小，单元结构的长度、高度尺寸小于工作波长，厚度远远小于工作波长，可以将表面波传播束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸中，实现能量的高效传输。通过控制金属光栅结构的表面凹槽深度、表面凹槽宽度、表面凹槽的周期性以及直金属光栅和金属光栅环之间的距离来改变金属表面的色散曲线，设计满足工作频段的金属光栅结构。用外伸的同轴线内导体作为金属线来激励金属光栅结构上的表面波。带宽较宽，通带内色散不明显，性能稳定。可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

附图说明

图1是本发明基于人工表面等离激元的插分滤波器的结构示意图；

图2是本发明基于人工表面等离激元的插分滤波器的原理示意图；

图3是金属单元的结构示意图（图中：凹槽深度d、凹槽宽度a、凹槽的周期p）；

图4是实验测得的插分滤波器各端口能量传输的频谱特性；

图5为本发明实施例的二维近场分布测量结果图，分别为8.0GHz，9.3GHz，10.4GHz和11.1GHz上的二维电场分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1和图3所示，本发明是一种基于人工表面等离激元的插分滤波器，包括第一直金属光栅1、第二直金属光栅2、金属光栅环3和金属线4。第一直金属光栅1和第二直金属光栅2设置在金属光栅环3的两侧，第一直金属光栅1的一端设置有金属线4，金属线4为同轴线内导体。第一直金属光栅1、第二直金属光栅2和金属光栅环3均为人工表面等离激元传输器。

其中，人工表面等离激元传输器均由周期性排列的金属单元11组成，金属单元11的形状为矩形，金属单元11的长度和宽度均相同。金属单元11由金属薄膜加工而成。金属单元11上均设置有垂直于人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽12，凹槽12均位于人工表面等离激元传输器的同侧，凹槽12的宽度和深度均相同，第一直金属光栅1和第二直金属光栅2均为长直形，金属光栅环3为圆环形，金属光栅环3的凹槽12开口背离金属光栅环3的圆心，第一直金属光栅1的凹槽12的开口和第二直金属光栅2的凹槽12的开口相对设置。

参见图1和图2，第一直金属光栅1和第二直金属光栅2的各端作为插分滤波器的各个分支，包括输入端(IN)、直通端(OUT)、隔离端(DROP)和耦合端(ADD)，各端上的凹槽参数相同。

参见图3，图中标注了可以调整的凹槽参数，即凹槽深度d、凹槽宽度a、凹槽的周期p。通过参数的调整，可以控制金属表面的色散曲线分布，从而实现不同工作频率上的高效传输。

插分滤波器输入端输入的能量部分被耦合到金属光栅环中，绕环一圈后又被重新耦合到了波导上。这两种部分电磁波相互干涉，从而实现了对输出信号的调节。绕环一周的相位变化可以用

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\β}{L}_{\mathrm{loop}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\λ}\right)2\mathrm{\πR}=\frac{2\mathrm{\πf}}{c}{n}_{\mathrm{eff}}\left(f\right)2\mathrm{\πR}---\left(1\right)$

来计算，其中λ是自由空间中的波长，n_eff(λ)是模式的有效折射率，R是环半径。当θ=(2m+1)π时，干涉结果是加强的，此时环处于谐振状态，信号可以被传送到输出端。当θ=2mπ时，干涉结果是相互抵消的，此时环处于谐振关闭状态，信号截止。此特性可用于插入和分下特定频率的信号，实现插分滤波功能。

参见图4，通过实验数据可以看到直通端与耦合端的传输函数的峰值（谷值）交替出现。当直通端输出的能量最大时，耦合端输出的能量最小；当直通端输出的能量最小时，耦合端输出的能量最大。

参见图5，图中给出了8.0GHz，9.3GHz，10.4GHz和11.1GHz时二维电场分布图。从图中的近场分布可以看出，当频率为8.0GHz和10.4GHz时，插分滤波器直通端处于导通状态，输出能量很大；耦合端处于截止状态，输出能量很小。当频率为9.3GHz和11.1GHz时，插分滤波器直通端处于截止状态，输出能量很小；耦合端处于导通状态，输出能量很大。

本发明基于人工表面等离激元的插分滤波器通过金属光栅环和第一、第二直金属光栅结构的相互耦合及互相干涉，实现插分滤波功能。本发明的第一直金属光栅、第二直金属光栅和金属光栅环是印制在介质基板上的厚度接近零的金属带，尺寸小，单元结构的长度、高度尺寸小于工作波长，厚度远远小于工作波长，可以将表面波传播束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸中，实现能量的高效传输。通过控制金属光栅结构的表面凹槽深度、表面凹槽宽度、表面凹槽的周期性以及直金属光栅和金属光栅环之间的距离来改变金属表面的色散曲线，设计满足工作频段的金属光栅结构。用外伸的同轴线内导体作为金属线来激励金属光栅结构上的表面波。带宽较宽，通带内色散不明显，性能稳定。可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

Claims (4)

1.一种基于人工表面等离激元的插分滤波器，其特征在于，第一直金属光栅（1）、第二直金属光栅（2）、金属光栅环（3）和金属线（4），所述第一直金属光栅（1）和第二直金属光栅（2）设置在所述金属光栅环（3）的两侧，所述第一直金属光栅（1）的一端设置有所述金属线（4），所述第一直金属光栅（1）、第二直金属光栅（2）和金属光栅环（3）均为人工表面等离激元传输器，所述人工表面等离激元传输器均由周期性排列的金属单元（11）组成，所述金属单元（11）为金属薄膜，所述金属单元（11）的形状为矩形，所述金属单元（11）的长度和宽度均相同，所述金属单元（11）上均设置有垂直于所述人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽（12），所述凹槽（12）均位于所述人工表面等离激元传输器的同侧，所述凹槽（12）的宽度和深度均相同，所述第一直金属光栅（1）和第二直金属光栅（2）均为长直形，所述金属光栅环（3）为圆环形，所述金属光栅环（3）的凹槽（12）开口背离所述金属光栅环（3）的圆心，所述第一直金属光栅（1）的凹槽（12）开口和所述第二直金属光栅（2）的凹槽（12）开口相对设置。

2.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的插分滤波器，其特征在于，所述基于人工表面等离激元的插分滤波器在PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基板上加工而成。

3.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的插分滤波器，其特征在于，所述金属线（4）为同轴线内导体。

4.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的插分滤波器，其特征在于，所述基于人工表面等离激元的插分滤波器在柔性薄膜上加工而成。

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