CN104701590A - 一种新型宽带表面等离子带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型宽带表面等离子带通滤波器，包括最底层纯金属底板、中间层介质基板、最上层金属条带三层结构；其中，最上层金属条带包括两端对称的微带线、微带线到等离子波导的过渡波导以及中间的孔洞型等离子波导。过渡波导由一系列横向宽度恒定，纵向长度按恒定间隔逐渐增大的周期性孔洞阵列组成；中间的等离子波导由周期、宽度、长度均恒定的亚波长孔洞阵列组成。本发明具有开放的对称结构、尺寸紧凑、宽频带、高滤波性能、结构简单易加工，尤其适合与传统微波或太赫兹传输线匹配使用，为滤波器的设计及应用提供一种全新的思路和方案。

Description

一种新型宽带表面等离子带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器结构，尤其涉及一种新型宽带表面等离子带通滤波器结构。

背景技术

表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons，简称SPPs)，是存在与金属与介质(通常是空气)界面上的一种电子和光子的混合激发态。SPPs是一种表面波，可以突破衍射极限，电磁场被约束在金属和介质界面附近的亚波长范围内，有很强的场增强效应。对于SPPs的研究曾一度被局限于光波段或是更高的频率上，由于SPPs的优良特性，若将表面等离子激元的概念推广到低频段(微波或太赫兹波段)，有助于获得高约束性的微波或太赫兹信号的导波技术，并将低频段的器件尺寸减小到亚波长量级以实现高度集成。但是由于金属的等离子频率一般都处于紫外波段，金属在低频段的介电常数很大，使得电磁波的趋肤深度很小，所以，在低频段，金属近似于理想导体(Perfect Electric Conductor,PEC)，从而使得SPPs在金属表面的场约束很差，无法在金属表面上实现有效传播，大大限制了SPPs在低频段的应用。近年来，有人提出在金属表面挖孔或刻槽的方法，不仅能增加电磁场在金属内的渗透能力，还可以实现场的亚波长约束，而且结构表面的等效等离子频率仅与表面结构的几何参数有关，从而可以在较低频率对SPPs进行工程设计。这种等离子体频率受表面几何结构控制的表面等离子体被称为人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，简称SSPPs)。其基本思想是在金属表面挖周期分布的孔洞，孔洞的尺寸和间隔都远小于波长，以增强电磁波的渗透作用，从而通过等效媒质的手段降低了金属表层的等离子频率。2005年，Hibbins等人在微波段证实了SSPPs现象，随后，Williams等人也在太赫兹波段验证了SSPPs的存在，为低频SPPs的发展和应用揭开了新的一页。自此SSPPs引起了研究者的极大兴趣。

一般来说，金属在低频段(微波段)近似为理想导体，故在其表面是不能传播SPPs的，但有了周期分布的孔洞后，表面不仅可以传播SPPs，还可以实现场的亚波长约束，而且周期性亚波长结构的等离子频率可以通过改变亚波长结构的几何尺寸来灵活改变。目前光滑的金属线被认为是最好的太赫兹波导之一，它的导波基于正常的SPPs机理。这种导波具有低损耗和低色散的优点，但是约束较差。金属表面挖周期分布的亚波长孔洞或是凹槽，相比光滑金属线，可以传输SSPPs，从而实现微波或太赫兹波的局域增强效应，为周期性金属线结构在微波或太赫兹成像、生物检测、国家安全、食品和农产品质量控制、全球环境检测和信息与雷达通信技术等领域的应用开拓了广阔的前景。

一直以来，空间导波到SPPs的转换被广泛地研究，如通过棱镜耦合或衍射光栅。但对于如何将空间导波高效地转换成SSPPs的研究甚少。2013年，东南大学提出了一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换的结构，它由传统的共面波导和“牙齿型”超薄周期性结构金属条带等离子波导构成，两者之间设计了沟槽深度渐变的匹配过渡带。匹配过渡部分实现了共面波导和等离子波导的波矢匹配和阻抗匹配，此结构在微波段实现了从导波到Spoof SPPs之间的高效率和宽带段转换，为等离子功能器件和电路在微波段的高度集成开创了应用前景。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对等离子波导结构不能实现和传统微带线高效转化功能的缺陷，借鉴2013年东南大学提出的一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换的设计思想，设计出一种结构简单对称、尺寸紧凑、易于与传统微波传输线配合使用的微带线到等离子波导转换器，在实现空间导波到SSPPs的高效和宽频带转化的基础上作为一种新型宽频带表面等离子带通滤波器使用，可为滤波器的设计及应用提供一种全新的思路和方案。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型宽带表面等离子带通滤波器，其特征在于包括最底层纯金属底板、中间层介质基板及最上层金属条带三层结构；

其中，最上层金属条带包括两端对称的微带线、微带线到等离子波导的过渡波导以及中间的孔洞型等离子波导；过渡波导由一系列横向宽度恒定，纵向长度按恒定间隔逐渐增大的周期性孔洞阵列组成；中间的等离子波导由周期、宽度、长度均恒定的亚波长孔洞阵列组成。

本发明可以通过调节表面等离子波导的结构尺寸，实现微波段或太赫兹波段空间导波到SSPPs的转化，进而完成宽频带滤波功能，从而在微波或太赫兹频段给等离子超材料器件的设计及应用提供一种全新的思路和方案。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明主要基于传统微带线到等离子波导的高效转化的思想提出一种新型宽带表面等离子带通滤波器，这种结构一方面借鉴共面波导到人工表面等离子波导转化结构的设计思想，通过金属条带中孔洞的纵向长度的渐变，实现微带线和人工表面等离子波导之间的波数匹配，为实现导波到人工SPPs转化的应用解决了关键性的难题，同时也解决了现实实验测试的难题，在微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性，为等离子超材料器件的设计及应用开拓出更为广泛的前景；

2.创新性强，技术前瞻性好：该新型宽带等离子带通滤波器结构，在微波频段实现了电磁波的强局域性和高效传输，创新性强，国内外未见此类滤波结构；其可以很好的与传统微波传输线配合使用，并可应用于太赫兹波段，拓展了等离子体传输线的应用范围，具有很好的技术前瞻性；

3.结构简单，易于制造：本发明主要由金属底板、介质基板和平面周期孔洞结构构成，结构简单，可采用普通的印刷电路板加工技术实现；

4.效率高、频带宽；本发明最终可以实现人工表面等离子器件的高效和超宽带滤波功能。在2～10Hz范围内，S11均在-10dB以下，S21均大于-0.5dB，从而实现了信号在人工表面等离子超材料中的高效和宽频带传输，以及等离子超材料对信号的超宽带滤波的功能。

附图说明

图1是实施例一的主视图；

图2(a)是实施例二的微带线区域I结构；

图2(b)是实施例二的过渡波导区域II结构图；

图2(c)是实施例二的人工表面等离子波导区域III结构图；

图3是实施例二等离子波导孔洞的纵向宽度的变化对其色散特性的影响曲线图；

图4是实施例二的S参数；

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

实施例一

如图1所示，滤波器由最底层纯金属底板、中间层介质基板、最上层金属条带三层结构组成，其中，最上层金属条带位于介质基板纵向中心的位置，包括两端对称的微带线、微带线到等离子波导的过渡波导以及中间的孔洞型等离子波导。过渡波导由一系列横向宽度恒定，纵向长度按恒定间隔逐渐增大的周期性孔洞阵列组成；中间的等离子波导由周期、宽度、长度均恒定的亚波长孔洞阵列组成。过渡波导和中间等离子波导的结构尺寸参数根据微带线的类型和尺寸来调节，与微带线参数(如线类型、线长度、线宽度等)相匹配。

实施例二

如图2(a)所示微带线为例，区域I为左右两侧对称的微带线，单个总长L₁＝5毫米，最底层纯金属底板和最上层金属条带的厚度相等为t＝0.018毫米，材料为铜，介质基板厚度为h＝0.254毫米，介电常数ε_r＝2.2；微带线的宽度g＝0.75毫米。最底层纯金属底板、中间层介质基板及微带线的尺寸参数保证微带线端口阻抗为50欧姆。两端的微带线均可以作为导波信号的输入/输出端，当其中一端作为输入端时，另一端则为输出端。

左右两侧对称的过渡波导分别与同侧的微带线连接，起到将信号高效地转化为SSPPs信号的作用。如图2(b)所示，过渡波导区域II单个总长L₂＝50毫米，包括10个渐变的孔洞周期单元结构，每个孔洞周期单元的横向周期为p＝5毫米，孔洞横向宽度为d＝2毫米、孔洞纵向宽边与金属条带外边缘间距为m＝0.25毫米并保持恒定，孔洞纵向长度从w₁＝0.5毫米按间隔Δw＝0.5毫米逐渐均匀增大到w₁₀＝5毫米，通过结构的渐变来实现微带线和等离子波导之间的波数匹配，孔洞的纵向长度的变化对其色散特性的影响如图3所示。通过渐变结构与微带线连接，能够起到将空间导波高效地转化为SSPPs信号的作用。

中间恒定周期的孔洞型等离子波导作为对应频段的SSPPs信号传输的载体。如图2(c)所示，中间部分区域III的孔洞型等离子波导总长L₃＝10毫米，包括2个周期单元结构，孔洞纵向长度w＝w₁₀＝5毫米，与相邻的过渡波导最后一个孔洞的纵向长度相等，其中孔洞周期p、横向宽度d均与区域II的尺寸相互匹配，孔洞纵向宽边与金属条带外边缘间距为m＝0.25毫米并保持恒定，与过渡波导一致。该实施例滤波器总长度L＝120毫米，总宽度b＝30毫米。

根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图4所示的高效性能，在2～10GHz范围内，S11均在-10dB以下，S21均大于-0.5dB，从而实现了信号在人工表面等离子超材料中的高效和宽频带传输，以及等离子超材料对信号的超宽带滤波的功能。

Claims (5)

1.一种新型宽带表面等离子带通滤波器，其特征在于包括最底层纯金属底板、中间层介质基板及最上层金属条带三层结构；

其中，最上层金属条带包括两端对称的微带线、微带线到等离子波导的过渡波导以及中间的孔洞型等离子波导；过渡波导由一系列横向宽度恒定，纵向长度按恒定间隔逐渐增大的周期性孔洞阵列组成；中间的等离子波导由周期、宽度、长度均恒定的亚波长孔洞阵列组成。

2.根据权利要求1所述的一种新型宽带表面等离子带通滤波器，其特征在于：滤波器最底层纯金属底板和最上层金属条带的厚度相同均为t，材料为铜；中间介质层的相对介电常数为ε_r，厚度为h，最上层金属条带两端对称的微带线宽度为g，参数t，h，ε_r，g要保证微带线端口阻抗为50欧姆。

3.根据权利要求1所述的一种新型宽带表面等离子带通滤波器，其特征在于：过渡波导周期性孔洞阵列中的孔洞周期为p，横向宽度为d并保持恒定，纵向长度从w₁按照恒定间隔Δw逐渐增大到w₁₀，孔洞的纵向宽边与金属条带外边缘间距为m并保持恒定，单边过渡波导总长为L₂，参数p，d，w₁，Δw，w₁₀、m、L₂与微带线参数尺寸相匹配。

4.根据权利要求1所述的一种新型宽带表面等离子带通滤波器，其特征在于：中间等离子波导亚波长孔洞阵列中的孔洞周期为p、横向宽度为d、纵向长度为w₁₀；孔洞的纵向宽边与金属条带外边缘间距为m并保持恒定，等离子波导总长为L₃，参数p、d、m、w₁₀、L₃与过渡波导参数尺寸相匹配。

5.根据权利要求1-4所述的一种新型宽带表面等离子带通滤波器，其特征在于：任意一端的微带线作为导波信号的输入端/输出端，另一端的微带线则为输出端/输入端。