CN104577270B - 一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器。该结构使用超薄介质基底，其上层附有金属结构。金属结构由两条方向相对的单边褶皱带线以及断开的双边褶皱带线组成，单边褶皱带线与双边褶皱带线通过耦合方式连接。该单层结构工作在微波频段，由传统的共面波导馈电，实现了传统共面波导和表面等离激元波导的阻抗匹配和波数匹配。耦合结构的引入实现了在某一频段内的频率选择功能，该功能使其可以被直接用作微波段带通滤波器。利用本发明的结构，调整结构尺寸，可以实现不同频带范围的频率选择功能，甚至可以实现在太赫兹频段的频率选择功能。

Description

一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器

技术领域

本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器。

背景技术

表面等离激元是一种在金属和介质交界面传播的表面波，其在垂直于交界面的方向上按指数衰减。当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。这种现象最初只存在于可见光频率范围内，因为在这种频率下的金属表现为负介电常数。当频率降低到微波及太赫兹波段时，金属可以看作是理想导体而无法支持表面等离激元的传播。为了实现微波和太赫兹波段的表面等离激元，人们提出一种人工表面等离激元。支持人工表面等离激元的超材料通常由金属表面层上的一维或者二维的亚波长周期结构组成。其中，很多有价值的工作都是利用亚波长的褶皱结构实现的。

为了实现传统双导体传输线和表面等离激元波导间的高效转换，一种基于渐变槽深的褶皱带线和开口金属地结构的转换被提出。转换结构的简化使得等离激元功能器件得到越来越多人的关注。滤波器作为无线通信以及雷达系统中的重要组成部分，研制一种基于表面等离激元的滤波器具有深远意义。

本发明基于人工表面等离激元的概念，提出了一种宽带频率选择表面等离激元，其功能表现为一种带通滤波器。该结构利用传统的共面波导进行馈电，利用槽深渐变的褶皱带线和开口金属地结构实现了从共面波导到表面等离激元波导的高效转换，同时利用耦合带线实现带通功能。相比于已有的表面等离激元滤波器，本发明的频率选择范围可以由结构几何参数控制，具有设计简单，易于加工，柔韧度高，体积小，频率选择效果好等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，可以在仿真阶段实现频率选择功能以及频率选择范围的自由调控，当仿真频率范围达到预定目标时可制成成品。

技术方案：本发明的一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，包括介质基底及其上层附有的金属结构，所述金属结构包括单边褶皱带线、双边褶皱带线、中心导体带、中心导体带两侧的接地导体平面；

所述单边褶皱带线一边均匀间隔开设有设定宽度与深度的凹槽，两条单边褶皱带线凹槽相对的居中设置在金属结构上；所述双边褶皱带线两边均匀间隔开设有与单边褶皱带线上的凹槽相对应的凹槽；所述单边褶皱带线的两端分别与所述金属结构两侧的双边褶皱带线的末端凹槽开口相对放置进行耦合连接，构成耦合部分；

所述中心导体带与所述中心导体带两侧的接地导体平面构成共面波导部分；所述双边褶皱带线由中心导体带延伸出来，其两边的凹槽深度逐渐加深，直至设定深度；所述接地导体平面延伸出开口的金属地，与凹槽深度逐渐加深的双边褶皱带线构成共面波导到表面等离激元波导的过渡部分。

所述凹槽为矩形。

所述凹槽宽度、深度以及凹槽间距根据不同的要求设计不同的参数。

所述凹槽宽度为3mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

所述耦合部分的长度根据不同的低频截止需求设计不同的长度。

有益效果：相比于已有的表面等离激元滤波器，本发明的频率选择范围可以由结构尺寸控制，具有设计简单，易于加工，柔韧度高，体积小，频率选择效果好等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的发展前景。

附图说明

图1为本发明基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的实物图；

其中，1为中心导体带，2为接地导体平面，3为槽深渐变的双边褶皱带线，4为双边褶皱带线，5为单边褶皱带线；

图2为本发明基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的主要组成部分的示意图；

其中，(a)为传统的共面波导部分，(b)为共面波导到表面等离激元波导的过渡部分，以及部分表面的离激元波导部分(c)为实现频率选择功能的耦合部分(为了详细展示细节，此部分的尺寸被整体放大)；

图3为单边褶皱带线单元结构和双边褶皱带线单元结构的色散曲线图；

图4为耦合部分的等效示意图；

图5为本发明的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的散射参数；

图6为本发明的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的场图；

其中，(a)给出了频率为6GHz时的场图，属于频率选择范围外，(b)给出了频率为7GHz时的场图，属于频率选择范围内，(c)给出了频率为9GHz时的场图，属于频率选择范围内，(d)给出了频率为11GHz时的场图，属于频率选择范围外。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，采用传统共面波导馈电方式，利用双边褶皱带线的表面等离激元波导和单边褶皱带线的耦合实现。传统的共面波导阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输；所述基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器从传统共面波导到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。通过两个单边褶皱带线和双边褶皱带线开口相对放置的耦合方式，实现频率选择功能。所述的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器中耦合的单边褶皱带线在某一频率下引入传输零点，从而实现带通滤波器的下边带特征。传输零点是指滤波器的传输函数等于零，即在这一频点上能量不能通过网络，因为起到了隔离的作用。在实际设计中为了使带通滤波器的通带外有较大的抑制，就需要在一些特定频点处引入零点，完善滤波特性。通过调整耦合部分的尺寸，可以调整下边带的频率。带通滤波器的上边带特征由双褶皱带线构成的表面等离激元波导实现，通过调整双褶皱带线的尺寸可以调整上边带的频率。这样就实现了频率选择范围的可调。传统的褶皱带线构成的表面等离激元波导有高频截止的特性，即可影响滤波器的上边带；耦合部分可以在低频部分引入一个传输零点，实现了低频截止，即滤波器的下边带。这个传输零点和波导本身的高频截止一起决定了滤波器的通带。

图1为本发明基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的实物图。如图1所示，本发明的一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，包括介质基底及其上层附有的金属结构。金属结构包括单边褶皱带线、双边褶皱带线、中心导体带、中心导体带两侧的接地导体平面；

单边褶皱带线一边均匀间隔开设有设定宽度与深度的凹槽，两条单边褶皱带线凹槽相对的居中设置在金属结构上；双边褶皱带线两边均匀间隔开设有与单边褶皱带线上的凹槽相对应的凹槽；单边褶皱带线的两端分别与所述金属结构两侧的双边褶皱带线的末端凹槽开口相对放置进行耦合连接，构成耦合部分；

中心导体带与所述中心导体带两侧的接地导体平面构成共面波导部分；双边褶皱带线由中心导体带延伸出来，其两边的凹槽深度逐渐加深，直至设定深度；接地导体平面延伸出开口的金属地，与凹槽深度逐渐加深的双边褶皱带线构成共面波导到表面等离激元波导的过渡部分。

在本发明具体实施例中，双边褶皱带线与单边褶皱带线上凹槽的形状为矩形，但本发明并不止于此，双边褶皱带线与单边褶皱带线上凹槽的形状可以为梯形、正方形等其他合适的几何形状。且本发明具体实施例中，凹槽的宽度为3mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。但同样，本发明中的凹槽的宽度、深度以及间距可以根据不同的要求设计不同的参数。

图2为本发明基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的主要组成部分的示意图。如图2所示，本发明的一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的金属结构包括(a)为传统的共面波导馈线部分，包括中心导体带及中心导体带两侧的接地导体平面。共面波导阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输；(b)为从传统共面波导到表面等离激元波导的过渡部分以及表面等离激元波导部分。包括由中心导体带两侧的接地导体平面延伸出的开口的金属地及槽深渐变的褶皱带线；槽深渐变的褶皱带线由中心导体带延伸而出，其两边均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，凹槽随着延伸长度逐渐加深；表面等离激元波导部分由双边褶皱带线组成，双边褶皱带线两边均匀间隔开设有设定宽度与深度的凹槽；采用了槽深渐变的褶皱带线结构和开口的金属地结构，表面等离激元波导由褶皱带线构成，褶皱带线有凹槽，而共面波导的中间导体没有凹槽，两者之间就会存在波数不匹配，因此使用渐变的槽深实现两种波数的平滑过渡。另外，共面波导的金属地具有一定的阻抗，而表面等离激元波导没有金属地结构，因此两者之间存在阻抗值的不匹配，开口的金属地结构可以实现阻抗值的渐变，从而实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化；(c)为实现频率选择功能的耦合部分，包括双边褶皱带线和两条单边褶皱带线；双边褶皱带线中间断开，单边褶皱带线靠近双边褶皱带线的一边上均匀开设有与双边褶皱带线凹槽相对应的凹槽；单边褶皱带线设置在双边褶皱带线的中间断开部分，与双边褶皱带线凹槽开口相对放置，并相距1mm以耦合连接；利用两个单边褶皱带线和双边褶皱带线开口相对放置的耦合方式，传统的褶皱带线构成的表面等离激元波导有高频截止的特性，即可影响滤波器的上边带，通过调整褶皱带线单元结构的槽深即可控制高频截止的频点；同时，耦合部分可以在低频部分引入一个传输零点，实现了低频截止，通过调整耦合的长度即可调整低频截止的频点。在两个截止频率中间，即带通滤波器的通带，能量可以传输，而在通带外能量不能传输，这样就实现了频率选择功能。

金属结构以单边褶皱带线所在位置为中心部分，两侧相互对称。

图3给出了单边褶皱带线单元结构和双边褶皱带线单元结构的色散曲线图，通过色散曲线图可以看出双边褶皱带线的截止频率略低于单边褶皱带线的截止频率，褶皱带线的截止频率决定了所述基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的上边带截止频率。调整褶皱带线的截止频率即可调整所述结构的上边带截止频率。

图4给出了耦合部分的等效示意图。由于结构本身具有对称性，因此等效图只给出了耦合结构的其中一半。耦合部分可以看成是一个四端口网络，分别用1,2,3,4标注如图。根据微波网络的传输线模型分析，可以得到图中四端口网络的散射参数：

其中，κ为耦合因数，z为耦合长度。在特定情况下，S₂₁可以为零，即该结构无法支持表面等离激元的传播。从而引入所述结构的下边带截止频率。通过单边褶皱带线与双边褶皱带线相互耦合的长度即可调整所述结构的下边带截止频率。

图5给出了所述基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的散射参数，可以看到在7GHz到10GHz的频率范围内，S₁₁均小于-10dB，证明了在该频率范围内，很好的实现了传统共面波导和表面等离激元波导间的匹配。在7GHz到10GHz频率范围外，S₂₁迅速下降，表明表面等离激元无法在该频率范围外传播，即实现了频率选择功能。

图6给出了所述基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器的场图。(a)给出了频率为6GHz时的场图，属于频率选择范围外，(b)给出了频率为7GHz时的场图，属于频率选择范围内，(c)给出了频率为9GHz时的场图，属于频率选择范围内，(d)给出了频率为11GHz时的场图，属于频率选择范围外。该图进一步证实了在所设计频率范围内，所述结构支持表面等离激元，然而在所设计频率范围外，所述结构不支持表面等离激元。

综上所述，本发明提供了一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，可以实现频率选择功能以及频率选择范围的自由调控。并具有设计简单，易于加工，柔韧度高，体积小，频率选择效果好等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

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 (5)

1.一种基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，包括介质基底及其上层附有的金属结构，其特征在于，所述金属结构包括上下各一的单边褶皱带线、左右各一的双边褶皱带线、左右各一的中心导体带及中心导体带上下两侧的接地导体平面；所述金属结构左右两端对称分布；

所述单边褶皱带线均匀间隔开设有设定宽度与深度的凹槽，两条单边褶皱带线凹槽上下相对的居中设置在金属结构上；所述双边褶皱带线两边均匀间隔开设有与单边褶皱带线上的凹槽相对应的凹槽；所述单边褶皱带线的左端与所述金属结构左侧的双边褶皱带线的末端凹槽开口相对放置进行耦合连接，构成耦合部分；

所述中心导体带与所述中心导体带上下两侧的接地导体平面构成共面波导部分；所述双边褶皱带线由中心导体带延伸出来，其两边的凹槽深度逐渐加深，直至设定深度；所述接地导体平面延伸出开口的金属地，与凹槽深度逐渐加深的双边褶皱带线构成共面波导到表面等离激元波导的过渡部分。

2.根据权利要求1所述的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于，所述凹槽为矩形。

3.根据权利要求1所述的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于，所述凹槽宽度、深度以及凹槽间距根据不同的要求设计不同的参数。

4.根据权利要求1所述的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于，所述凹槽宽度为3mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

5.根据权利要求1所述的基于频率选择表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于，所述耦合部分的长度根据不同的低频截止需求设计不同的长度。