CN105280996A - 基于复合u型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，属于带阻滤波器。该滤波器包括介质基板和印刷在介质基板上的金属；所述的印刷在介质板上的金属包括：波导渐变结构、接地导体平面、周期性金属光栅波导和U型开槽结构；在周期性金属光栅波导上有U型开槽结构，表示不印刷金属；周期性金属光栅波导为人工表面等离激元传输器，在周期性金属光栅波导两端分别连接波导渐变结构；所述接地导体平面位于波导渐变结构的上下两侧；所述的人工表面等离激元传输器为金属薄膜，金属薄膜形状为在矩形垂直于长度方向两侧开有对称的凹槽，同侧凹槽等间距排列，凹槽的宽度和深度均相等。优点：结构简捷、阻带内抑制大、带阻宽、易于和其他微波电路集成。

Description

基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器

技术领域

本发明涉及一种带阻滤波器，特别是一种基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器。

背景技术

带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。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。

上个世纪60年代，G.L.Matthaei对滤波器的设计进行了比较系统的描述，其中对带阻滤波器的设计描述也较为详细，主要是切比雪夫和椭圆函数型，其结构都是由短截线谐振器构成的，谐振器间隔1/4波长的奇数倍并沿主波导或主传输线排列。1964年，B.M.Schiffman详细解释了带阻滤波器的一般设计原理，并给出了适用于所有频率的带阻滤波器设计公式。1967年，E.G.Cristal给出了基于窄带设计的带阻滤波器设计的一般近似公式，简化了使用精确设计公式的计算量，便于进行窄带带阻滤波器的设计。至此，带阻滤波器的设计理论已经较为完备。到了70年代，Atia和Williams最早提出了交叉耦合滤波器的通用理论，并提供了一些常用的理论公式。在此基础上，许多人经过不懈的努力，逐步发展出了交叉耦合带阻滤波器的方法。1983年，Jian-Ren.Qian和Wei-Chen.Zhuang首先提出将带通滤波器的耦合谐振腔模型进行修改，并应用于带阻滤波器的设计，以得到高性能的带阻滤波器。但是该滤波器的结构比较复杂，是一个含有孔缝耦合的谐振腔再耦合到主波导上，在实际设计中加工难度较高，不利于批量生产加工。1999年RichardJ.Cameron提出了用循环递归的方法来构成交叉耦合的传输函数和反射函数多项式，由导纳矩阵和局部分式展开方法给出了耦合矩阵的综合过程。2000年，J.R.Motejo-Garai耦合矩阵从N维扩展到了N阶N+2维,即传输零点的个数等于交叉耦合滤波器的阶数。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，实现不同带宽的滤波特性。

本发明的目的是这样实现的：该滤波器包括介质基板和印刷在介质基板上的金属；所述的印刷在介质板上的金属包括：波导渐变结构、接地导体平面、周期性金属光栅波导和U型开槽结构；在周期性金属光栅波导上有U型开槽结构，U型开槽结构表示不印刷金属；

所述周期性金属光栅波导为人工表面等离激元传输器，在周期性金属光栅波导两端分别连接波导渐变结构；所述接地导体平面位于波导渐变结构的上下两侧；

所述的人工表面等离激元传输器为金属薄膜，金属薄膜形状为在矩形垂直于长度方向两侧开有对称的凹槽，同侧凹槽等间距排列，凹槽的宽度和深度均相等。

进一步的，通过控制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，U型开槽结构是多个上下对称的U型结构，U型开槽结构为亚波长结构，单个U型开槽之间的距离小于金属单元的长度，以实现多个U型槽的耦合作用。

进一步的，通过调节多个同侧U型槽的距离，实现带宽的变化。

进一步的，通过增加U型槽的数目，实现带宽的增加。

进一步的，所述周期性金属光栅波导为双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，宽带阻滤波器以印刷电路板的方式制作在介质基板上。

有益效果：

(1)本发明的宽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)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；

(3)通过控制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；

(4)通过改变U型槽的数目，实现带宽的变化。

优点：本发明的宽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宽带阻滤波器的结构示意图。

图2(a)是本发明两个U型开槽结构的示意图。

图2(b)是本发明两个U型开槽结构的频率响应的仿真曲线。

图3(a)是本发明四个U型开槽结构的示意图。

图3(b)是本发明四个U型开槽结构的频率响应的仿真曲线。

图3(c)是本发明改变四个U型槽同侧U距离的频率响应的仿真曲线。

图4(a)是本发明六个U型开槽结构的示意图。

图4(b)是本发明六个U型开槽结构的频率响应的仿真曲线。

图5(a)是本发明八个U型开槽结构的示意图。

图5(b)是本发明八个U型开槽结构的频率响应的仿真曲线。

图6是本发明四个、六个、八个U型槽S21的对比图。

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。

实施例1：该滤波器包括介质基板5和印刷在介质基板上的金属；所述的印刷在介质板上的金属包括：波导渐变结构1、接地导体平面2、周期性金属光栅波导3和U型开槽结构4；在周期性金属光栅波导上有U型开槽结构，U型开槽结构表示不印刷金属；

所述周期性金属光栅波导为人工表面等离激元传输器，在周期性金属光栅波导两端分别连接波导渐变结构；所述接地导体平面位于波导渐变结构的上下两侧；

所述的人工表面等离激元传输器为金属薄膜，金属薄膜形状为在矩形垂直于长度方向两侧开有对称的凹槽，同侧凹槽等间距排列，凹槽的宽度和深度均相等。

进一步的，通过控制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，U型开槽结构是多个上下对称的U型结构，U型开槽结构为亚波长结构，单个U型开槽之间的距离小于金属单元的长度，以实现多个U型槽的耦合作用。

进一步的，通过调节多个同侧U型槽的距离，实现带宽的变化。

进一步的，通过增加U型槽的数目，实现带宽的增加。

进一步的，所述周期性金属光栅波导为双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，宽带阻滤波器以印刷电路板的方式制作在介质基板上。

具体实施例：

如图1，图中所示为一种基于人工表面等离激元的U型槽滤波器结构示意图，包括波导渐变结构、接地导体平面、周期性金属光栅波导和U型开槽结构。

周期性金属光栅波导3由中间向两端依次连接波导渐变结构和接地导体平面。周期性金属光栅波导3为人工表面等离激元传输器。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组成，金属单元的形状为矩形，金属单元的长度和宽度均相同。金属单元由金属薄膜加工而成。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，凹槽位于人工表面等离激元传输器的两侧，凹槽的宽度和深度均相同，金属光栅为长直形，U型开槽结构设置在金属光栅上。

其中，介质基板5材料为F4B，介电常数为2.65，厚度为0.5mm，损耗角正切为0.001。

传输线是一种印制在介质基板同一平面上的金属结构，U型开槽结构是位于传输线上的凹槽，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。通过控制周期性金属光栅波导的表面凹槽深度、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。通过改变U型槽的个数，实现不同带宽的滤波特性。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。

实施例2：如图2(a)，图中所示如图为当U型开槽结构4为两个U时的局部图。

如图2(b)，图中所示为两个U型槽的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2可以看出，本发明的两个U型槽的滤波器，在频率为8.27GHz时，传输系数S21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-1dB，输出端口的能量很大，信号通过。其它与实施例1同。

实施例3：如图3(a)，图中所示为一种基于人工表面等离激元的四个U型槽宽带带阻滤波器结构示意图。

如图3(b)，图中所示为一种基于人工表面等离激元的四个U型槽宽带带阻滤波器性能曲线，从图3(b)可以看出，本发明的宽阻滤波器，-10dB带阻从频率7.8GHz到8.4GHz，带宽达0.6GHZ，实现了宽带滤波功能，而其他频率的传输系数S21约为-1dB，输出端口的能量很大，信号通过。

如图3(c)，图中所示为通过改变图3(a)中U的间隔而使带宽产生的变化，从图3(c)中可以看出，U型槽间隔的减小可以使带宽增加。其它与实施例1同。

实施例4：如图4(a)，图中所示为一种基于人工表面等离激元的六个U型槽宽带带阻滤波器结构示意图。

如图4(b)，图中所示为一种基于人工表面等离激元的六个U型槽宽带带阻滤波器性能曲线，从图4(b)可以看出，本发明的宽阻滤波器，-10dB带阻从频率8.4GHz到9.6GHz，带宽达1.2GHZ，实现了宽带滤波功能，而其他频率的传输系数S21约为-1dB，输出端口的能量很大，信号通过。其它与实施例1同。

实施例5：如图5(a)，图中所示为一种基于人工表面等离激元的八个U型槽宽带带滤波器结构示意图。

如图5(b)，图中所示为一种基于人工表面等离激元的八个U型槽宽带带阻滤波器性能曲线，从图5(b)可以看出，本发明的宽带阻滤波器，-10dB带阻从频率8.4GHz到9.8GHz，带宽达1.4GHZ，实现了宽带滤波功能，而其他频率的传输系数S21约为-1dB，输出端口的能量很大，信号通过。其它与实施例1同。

实施例6：如图6，图中所示为四个、六个、八个U型槽S21的对比图，从图6中可以看出，增加U型槽的个数可以使带阻带宽显著增加。其它与实施例1同。

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 (7)

1.一种基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：该滤波器包括介质基板和印刷在介质基板上的金属；所述的印刷在介质板上的金属包括：波导渐变结构、接地导体平面、周期性金属光栅波导和U型开槽结构；在周期性金属光栅波导上有U型开槽结构，U型开槽结构表示不印刷金属；

所述周期性金属光栅波导为人工表面等离激元传输器，在周期性金属光栅波导两端分别连接波导渐变结构；所述接地导体平面位于波导渐变结构的上下两侧；

所述的人工表面等离激元传输器为金属薄膜，金属薄膜形状为在矩形垂直于长度方向两侧开有对称的凹槽，同侧凹槽等间距排列，凹槽的宽度和深度均相等。

2.根据权利要求1所述的基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：通过控制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。

3.根据权利要求1所述的基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：U型开槽结构是多个上下对称的U型结构，U型开槽结构为亚波长结构，单个U型开槽之间的距离小于金属单元的长度，以实现多个U型槽的耦合作用。

4.根据权利要求1所述的基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：通过调节多个同侧U型槽的距离，实现带宽的变化。

5.根据权利要求1所述的基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：通过增加U型槽的数目，实现带宽的增加。

6.根据权利要求1所述的基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：所述周期性金属光栅波导为双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。

7.根据权利要求1所述的基于复合U型槽结构的人工表面等离激元宽带带阻滤波器，其特征是：宽带阻滤波器以印刷电路板的方式制作在介质基板上。