CN104485495A - 一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工表面等离激元双波段带阻滤波器，属于多频带带阻滤波器领域。该滤波器包括介质基板、周期性金属光栅结构波导、两个相同的金属开口谐振环、共面波导和耦合结构，周期性金属光栅结构波导两端分别连接耦合结构。具体地，耦合结构将共面波导传输的导波转化为周期性金属光栅上传输的人工表面等离激元；周期金属光栅结构为人工表面等离激元传输结构；金属开口环与周期性金属光栅组合构成谐振结构。本发明提出的人工表面等离激元双波段带阻滤波器，结构简捷、阻带内抑制大，易于和其他微波电路集成。

Description

一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器

技术领域

本发明涉及带阻滤波器，特别是一种结构简单、便于实现的人工表面等离激元双波段带阻滤波器，属于微波技术领域，可应用于微波电路中的信号滤波。

背景技术

带阻滤波器在通信及信号处理系统中起着极其重要的作用，用来过滤不需要频率的电磁波或抑制干扰信号，是微波毫米波电路和通讯系统中不可缺少的功能器件。微波系统大多使用波导、同轴线、带状线、微带线、槽线、共面波导等作为传输线媒质，相应的各类滤波器也是基于这些传统的传输线媒质。

利用结构化金属表面把电磁波强束缚在导体表面的早期工作可以追溯到上世纪五、六十年代，研究人员利用皱褶的金属表面在微波段实现电磁表面波的传输。2005年，英国帝国理工大学的John B.Pendry教授及其合作者首次提出了人工表面等离激元的概念，指出二维周期挖孔的结构化金属表面具有与光波段金属结构表面等离激元相似的色散特性，能够把电磁波约束在金属/介质界面远小于波长的范围内传输。这种结构化金属表面的等效等离子体频率仅与表面结构的几何参数有关，可以拓展到远红外、太赫兹和微波波段。继John B.Pendry的工作之后，英国埃克塞特大学的A.P.Hibbins等和巴斯大学的C.R.Williams等人先后在微波和太赫兹波段实验验证了人工表面等离激元的存在。通过改变金属表面的结构参数来人为控制人工表面等离子体频率，使其延伸到太赫兹和微波段，实现对太赫兹波和微波的强束缚，为在低频段(远红外、太赫兹、微波波段)金属表面上实现亚波长波的传输和局域开辟了一条有效途径。本专利申请人在分析了厚度对周期开槽结构色散特性的影响之后，提出了柔性、可共形的人工表面等离激元的概念，理论分析和实验验证了人工表面等离激元在超薄结构金属条上的传输。这种亚波长结构表现出非常优异的导播特性，能实现电磁波沿平面、弯曲、螺旋等不规则表面的传输，具有非常好的应用前景。周期性光栅结构金属条支持人工表面等离激元的高效传输，在信号传输和通信技术等领域有重要应用。基于这种周期性光栅导波结构，我们提出了一种人工表面等离激元带阻滤波器设计。

发明内容

发明目的：提出一种人工表面等离激元带阻滤波器，基于人工表面等离激元特有的传输特性，通过引入特定尺寸的开口谐振环，实现不同频段的双波段带阻滤波。

技术方案：一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，包括介质基板和两端的端口，其特征在于，包括周期性直金属光栅、两个相同的金属开口谐振环、共面波导和耦合结构；

所述周期性直金属光栅两端分别连接耦合结构和共面波导；两个相同的金属开口谐振环与周期性直金属光栅组合；所述共面波导为导波传输结构；所述耦合结构为耦合器，耦合结构由渐变非周期性直金属光栅和弧线形状的金属导体组成；所述周期性直金属光栅为人工表面等离激元传输器。两个相同的金属开口谐振环以相同的形式印制在介质基板反面；所述周期性直金属光栅两端顺序连接所述耦合结构和共面波导，印制在介质基板正面；

周期性直金属光栅为人工表面等离激元传输器；该人工表面等离激元传输器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，每个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人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽；所述凹槽位于人工表面等离激元传输器的同侧，凹槽的宽度和深度均相同。

进一步的，两个相同的金属开口谐振环是方形开口环，并且方形开口环的开口与直金属光栅凹槽开口相对放置，方形开口环开口底边与凹槽底边和凹槽两侧边的间隙相同。通过控制直金属光栅结构的表面凹槽深度、宽度和周期性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。

进一步的，耦合结构实现了由传统共面波导到由单导线光栅结构的高效匹配，实现了导波到等离子激元之间的高效转换和传输。

进一步的，金属开口谐振环为亚波长结构，两谐振环中心间距为三以上整数倍的金属单元长度，以削弱两谐振环之间的相互干扰。

进一步的，通过调节开口谐振环结构的尺寸，实现不同频率的双波段带阻特性。

进一步的，所述周期性金属光栅波导为单边开有周期性光栅结构的金属结构，支持人工表面等离激元的高效传输。

进一步的，所述共面波导为传统双导线结构，中间导体与两侧导体间距不相等，支持导波模式，便于与传统集成电路匹配集成。

进一步的，双波段带阻滤波器以印刷电路板的方式制作在介质基板上，其中介质基板的另一面为不覆铜的光板。

有益效果：

(1)本发明的双波段带阻滤波器可以在单面电路上加工，甚至超薄结构的柔性电路板上加工；

(2)与现有的微带线相比，该结构不需要地线，可以自由导波，具有非常小的传输损耗；

(3)平面化的设计易于利用现有微波、毫米波技术加工，且易于与其他器件集成。

(4)通过控制直金属光栅结构的表面凹槽深度、宽度和周期性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；

(5)通过调节开口谐振环结构的尺寸，实现不同频率的双波段带阻特性；

本发明的带阻滤波器具有结构新颖简单、重量轻、性能稳定、便于制作、易于和其它的平面微波毫米波电路集成等优点，在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路的应用中有着良好的前景。

附图说明

图1是本发明基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器的结构示意图；

图2是金属单元的结构示意图；

图3是金属开口谐振环与周期性直金属光栅的位置关系示意图；

图4是金属开口谐振环的结构示意图；

图5是本发明的双波段带阻滤波器的频率响应的仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述：一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，包括介质基板5和两端的端口；其特征在于，包括周期性直金属光栅1、两个相同的金属开口谐振环21、共面波导3和耦合结构4；

所述周期性直金属光栅1由中间向两端依次连接耦合结构4和共面波导3；两个相同的金属开口谐振环2与周期性直金属光栅1组合；所述共面波导3为导波传输结构；所述耦合结构4为耦合器，耦合结构4由渐变非周期性直金属光栅42和弧线形状的金属导体41组成；所述周期性直金属光栅1为人工表面等离激元传输器。

所述周期性直金属光栅1为人工表面等离激元传输器；该人工表面等离激元传输器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，每个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人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽；所述凹槽位于人工表面等离激元传输器的同侧，凹槽的宽度和深度均相同。

具体实施例：

如图1和图2所示，本发明是一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，其为左右对称结构，包括周期性直金属光栅1、两个相同金属开口谐振环21、共面波导3和耦合结构4。

周期性直金属光栅1两端顺序连接耦合结构4和共面波导3。周期性直金属光栅1为人工表面等离激元传输器，共面波导3为导波传输线，耦合结构4为用于导波和人工表面等离激元之间相互转换的耦合器。直金属光栅结构可以弯折、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。

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，直金属光栅1为长直形，金属开口谐振环21为方形环，直金属光栅1和金属开口谐振环的开口相对设置。耦合结构是由渐变非周期的金属光栅42和弧线形状的金属导体41共同组成，并且非周期性的金属光栅两侧的弧线形状的金属导体都是相同的。

其中，介质基板5为聚酰亚胺基板，介电常数为3.1，厚度为0.06mm，损耗角为0.02。

金属开口谐振环21是方形开口环，并且方形开口环的开口与直金属光栅凹槽开口相对放置，方形开口环的开口底边与凹槽底边间隙G为0.1mm，开口的两侧边与凹槽两侧边的间隙G1为0.1mm。该金属开口谐振环21为亚波长结构，两谐振环中心间距为三以上整数倍的金属单元长度。金属开口谐振环21的金属线宽为0.1mm，外高为3.2mm，外宽为3.3～6.8mm。

传输线和金属开口谐振环都是一种印制在介质基板同一平面上的金属结构，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，可以将表面波传输束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸范围中，实现能量的高效传输，其中，该传输线为左右对称结构。所述传输线由共面波导结构、耦合结构和周期性的直金属光栅结构组成。通过控制周期性直金属光栅结构的表面凹槽深度、宽度和周期性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。通过调节开口谐振环结构的尺寸，实现不同频率的双波段带阻特性。本发明的带阻滤波器具有结构新颖简单、重量轻、性能稳定、便于制作、易于和其它的平面微波毫米波电路集成等优点，因而可以很好的应用在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路中。

如图2，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，通过增大凹槽深度D，可以降低传输线传输表面波的截止频率。

如图3，图中标注了金属开口谐振环相对于直金属光栅结构的相对位置参数。

如图4，图中标注了金属开口谐振环的结构参数，即谐振环外宽K、谐振环外高H、金属环线宽W和开口宽C，通过增大谐振环外宽K，降低谐振环的谐振频率，从而同时降低两个滤波的频率，实现不同频率的双波段带阻滤波特性。

如图5，图中基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器性能曲线包括：S21传输系数和S11反射系数。横坐标代表频率分量，单位为GHz，左边纵坐标代表幅度变量，单位为dB。从图5可以看出，本发明的双波段带阻滤波器，在频率为5GHz和10.5GHz时，传输系数S21都低于-25dB，输出端口的能量很小，信号截止；而其他频率的传输系数S21约为-2dB，输出端口的能量很大，信号通过。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，包括介质基板(5)和两端的端口；其特征在于，包括周期性金属光栅波导(1)、两个相同的金属开口谐振环(21)、共面波导(3)和耦合结构(4)；

所述周期性直金属光栅波导(1)由中间向两端依次连接耦合结构(4)和共面波导(3)；两个相同的金属开口谐振环(2)与周期性金属光栅(1)组合；所述共面波导(3)为导波传输结构；所述耦合结构(4)为耦合器，耦合结构(4)由槽深渐变的周期性金属光栅(42)和弧线形状的金属导体(41)组成；所述周期性金属光栅(1)为槽深相同、周期一致的人工表面等离激元传输结构；

所述周期性金属光栅(1)为人工表面等离激元传输器；该人工表面等离激元传输器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，每个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人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽；所述凹槽位于人工表面等离激元传输器的同侧，凹槽的宽度和深度均相同。

2.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，其特征在于，所述两个相同的金属开口谐振环(21)是方形开口环，并且方形开口环的开口与直金属光栅凹槽开口相对放置。

3.如权利要求2所述的一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，其特征在于，所述金属开口谐振环(21)为亚波长结构，两谐振环中心间距为三以上整数倍的金属单元长度。

4.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，其特征在于，所述周期性金属光栅波导(1)为单边开有周期性光栅结构的金属结构，支持人工表面等离激元的高效传输。

5.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，其特征在于，所述共面波导为双导线结构，中间导体与两侧导体间距不相等，支持导波模式。

6.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的双波段带阻滤波器，其特征在于，所述双波段带阻滤波器以印刷电路板的方式制作在介质基板(5)上，其中介质基板(5)的另一面为不覆铜的光板。