CN106099264B - 一种基于弯月周期结构的多通道滤波芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于弯月周期结构的高效多通道滤波芯片，其特征在于，具有衬底层以及设置于该衬底层上表面的金属结构层；该金属结构层包括能量输入部、第一转换部、波导传输谐振部、第二转换部及能量输出部；其中，波导传输谐振部具有第三等离子传输线、第四等离子传输线及弯月周期结构，该弯月周期结构由两个弯月环组构成，这两个弯月环组以衬底层的中轴线为对称轴对称分布，每个弯月环组包含层数相同且至少为两层的弯月环。利用本发明提供的基于弯月周期结构的高效多通道滤波芯片，能够对输入信号实现高效多通道滤波，并输出多个不同频率的信号峰，该芯片结构及制备简单，实际应用中操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及滤波芯片，尤其涉及一种基于弯月周期结构的多通道滤波芯片。
背景技术
电磁波在生物医学、安全监测、无损伤监测、天文学、光谱与成像技术以及信息科学等领域有着广泛的应用。在可见光波段，基于表面等离子体激元的传感器已经在生物和医学研究中广泛应用。
表面等离子体激元共振是存在于金属和电介质界面的一种电荷密度振荡本征模式，它可以通过入射光经棱镜耦合、光栅耦合或波导耦合来激发产生。其原理是：电磁波入射至金属与介质的分界面时，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，形成沿着金属表面传播的近场电磁波；当电子的振荡频率与入射光的频率一致时就会产生共振，在该共振状态下，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，此时就发生了一种特殊的电磁现象，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种特殊的电磁现象城为表面等离激元现象。
目前，基于上述的表面等离激元现象，通过设计高效传输的波导和谐振环耦合共振，从而实现高效多通道滤波的滤波器还未见报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于，具有：衬底层；以及金属结构层，设置于衬底层的上表面，包括：
能量输入部，为共面波导结构，具有第一等离子传输线，用于获取信号；
第一转换部，与能量输入部连接，包括第一Vivaldi天线以及第二等离子传输线，用于激发表面等离子体激元，并将能量输入部获取的信号由准TEM波模式转化为表面波模式，第二等离子传输线沿衬底层的中轴线延伸，两侧设置有复数个凹槽，并与第一等离子传输线连接；
波导传输谐振部，具有第三等离子传输线、第四等离子传输线及弯月周期结构，用于进行波导传输及谐振；
第二转换部，与波导传输谐振部连接，包括第二Vivaldi天线以及第五等离子传输线，用于将波导传输谐振部传出的信号由表面波模式转化为准TEM波模式，第五等离子传输线沿衬底层的中轴线延伸，两侧设置有复数个凹槽，并与第四等离子传输线连接；
能量输出部，为共面波导结构，用于输出信号，具有第六等离子传输线，该第六等离子传输线与第五等离子传输线连接；
其中，第三等离子传输线及第四等离子传输线均沿衬底层的中轴线延伸；第三等离子传输线与第二等离子传输线连接，呈由宽至窄的渐变带状结构，两侧设置有复数个凹槽，并在末尾部分形成尖端；第四等离子传输线呈由窄至宽的渐变带状结构，两侧设置有复数个凹槽，并在起始部分形成尖端，该尖端与第三等离子传输线末尾部分的尖端相对，并间隔一定距离；
弯月周期结构由两个弯月环组构成，该两个弯月环组以衬底层的中轴线为对称轴对称分布，每个弯月环组包含层数相同且至少为两层的弯月环。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：
其中，第二等离子传输线两侧的凹槽包括8～10个渐变凹槽及8～12个固定凹槽，其中渐变凹槽的槽深逐渐加大，固定凹槽的槽深不变；第三等离子传输线两侧的凹槽为8～10个渐变凹槽，随着第三等离子传输线的由宽变窄，其槽深逐渐降低，并且第三等离子传输线末尾部分的尖端两侧不具有凹槽；
第四等离子传输线两侧的凹槽为8～10个渐变凹槽，随着第四等离子传输线的由窄变宽，其槽深逐渐增加，并且第四等离子传输线起始部分的尖端两侧不具有凹槽；
第五等离子传输线两侧的凹槽包括8～10个固定凹槽及8～12个渐变凹槽，其中固定凹槽的槽深不变，渐变凹槽的槽深逐渐降低。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，第三等离子传输线末尾部分的尖端与第四等离子传输线起始部分的尖端之间的距离为0.5mm～0.8mm。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，第三等离子传输线与第四等离子传输线呈点对称分布，对称点为衬底层的中心点。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，弯月环的层数为5～6层；各层弯月环按照面积从小到大分布，面积小的弯月环靠近衬底层的中轴线，面积大的弯月环远离衬底层的中轴线。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，相邻两层弯月环之间的面积比为1:1.5。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，各个弯月环的圆心与衬底层的中心点位于同一条直线上，该直线垂直于衬底层的中轴线。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，衬底层由环氧玻璃纤维板材料制成。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，金属结构层由金制成。
本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，还可以具有如下技术特征：其中，金属结构层的厚度为10μm～50μm。
发明作用与效果
根据本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，由于具有等离子传输线等高效波导传输结构，能够激发表面等离子体激元，因此能够实现对输入信号的高效传输；由于具有弯月周期结构，能与等离子传输线的波导结构耦合并发生谐振，因此能够产生多个Q值不同的谐振峰，从而对输入信号实现高效多通道滤波，并输出多个不同频率的信号峰。该芯片结构及制备简单，实际应用中操作简便。
附图说明
图1为本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的衬底层及金属结构层示意图；
图2为本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的金属结构层示意图；
图3为本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的检测示意图；
图4为分析仪得到的S21参数图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例来说明本发明的具体实施方式。
实施例
图1为本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的衬底层及金属结构层示意图。
如图1所示，本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片10包括衬底层101和金属结构层102。本实施例中，衬底层101为1cm×1cm的正方形板，采用环氧基玻璃板材料(即FR-4材料)制成，厚度d2为0.5mm；金属结构层102用金制成，采用光刻和镀膜的方法附着于衬底层101的上表面，厚度d1为0.018mm。
图2为本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的金属结构层示意图。
如图2所示，本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片10的金属结构层102包括能量输入部1、第一转换部2、波导传输谐振部3、第二转换部4以及能量输出部5。
能量输入部1具有第一等离子传输线12，如图1所示，第一等离子传输线12两侧还设置有接地带19，构成共面波导结构，用于与上游设备连接并接收输入信号。
如图1及图2所示，第一等离子传输线12与两个接地带19之间具有两个槽口，该两个槽口为能量传输端口，宽度均为g；第一等离子传输线12的宽度为w，两个接地带19的宽度均为L。在本实施例中，w为2.5mm，L为25mm；为保证端口50Ω的阻抗匹配，g为0.25mm。
第一转换部2与能量输入部1连接，包括第一Vivaldi天线11和第二等离子传输线13。第一Vivaldi天线11与接地带19连接，第二等离子传输线13与第一等离子传输线12连接。第二等离子传输线13两侧各设置有九个槽深逐渐增加的凹槽及十个槽深固定的凹槽，用于激发表面等离子体激元，将信号由准TEM波模式转化为表面波模式。
波导传输谐振部3具有第三等离子传输线14、第四等离子传输线15及弯月周期结构18，用于进行波导传输及谐振。
如图2所示，第三等离子传输线14与第二等离子传输线13连接，呈整体由宽至窄的渐变带状结构，并在末尾部分形成尖端；第四等离子传输线15呈由窄至宽的渐变带状结构，其起始部分也形成有尖端，该尖端与第三等离子传输线14末尾部分的尖端相对，并间隔有一定距离α，在本实施例中，该距离α为0.7mm。
此外，第三等离子传输线14的两侧各设置有九个渐变凹槽，随着第三等离子传输线14的由宽变窄，其槽深逐渐降低，并且第三等离子传输线14末尾部分的尖端两侧不具有凹槽；第四等离子传输线15两侧各设置有九个渐变凹槽，随着所述第四等离子传输线15的由窄变宽，其槽深逐渐增加，并且第四等离子传输线15起始部分的尖端两侧不具有凹槽。
弯月周期结构18由两个弯月环组构成。如图2所示，这两个弯月环组以衬底层101的中轴线为对称轴对称分布，两个弯月环组中的弯月环层数相同。各层弯月环按照面积从小到大分布，面积小的弯月环靠近中轴线，面积大的弯月环远离中轴线。所有弯月环的圆心都在同一条直线上，该直线通过衬底层101的中心点并垂直于衬底层101的中轴线。在本实施例中，每个弯月环组中各包含有六层弯月环，相邻两层弯月环之间的面积比为1:1.5。
第二转换部4与波导传输谐振部3连接，包括第二Vivaldi天线17以及第五等离子传输线16，用于将波导传输谐振部3传出的信号由表面波模式转化为准TEM波模式。如图2所示，第五等离子传输线16与第四等离子传输线15连接，两侧各设置有十个槽深固定的凹槽及九个槽深逐渐降低的凹槽。
能量输出部5用于输出信号，具有第六等离子传输线18。如图2所示，第六等离子传输线18与第五等离子传输线16连接，两侧设置有接地带。由于第六等离子传输线18与两侧接地带构成的共面波导结构与能量输入部1中的相同，此处不再赘述。
以下结合附图，说明本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的检测过程。
在本实施例中，采用安捷伦矢量网络分析仪(以下简称分析仪)对本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片(以下简称滤波芯片)进行检测。
图3为本发明提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片的检测示意图。
如图3所示，分析仪引出两个探针端口，分别置于滤波芯片10的能量输入部1及能量输出部5的能量传输端口处。能量输入部1获取输入信号，能量输出部5将经滤波芯片10处理过的信号输出，返回至分析仪，并由分析仪进行分析，得到S21参数图。
图4为分析仪得到的S21参数图。
如图4所示，分析仪输出的信号经滤波芯片10处理，得到了多个信号峰，其中最强的一个峰出现在10～12.5GHz之间，其强度超过-45DB；其他几个信号峰出现在小于10GHz的频率范围内，同样具有较高的强度。
实施例作用与效果
根据本实施例提供的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片10，由于具有第一等离子传输线12及接地带19形成的共面波导结构、第二等离子传输线13及第一Vivaldi天线11形成的高效波导传输结构，能够实现对上游信号的接收及高效传输；由于具有弯月周期结构18，该弯月周期结构18包含两个弯月环组，每组具有六层弯月环，能与第三等离子传输线14及第四等离子传输线15的波导结构耦合并发生谐振，因此能够产生多个Q值不同、强度良好的谐振峰，其中信号最强的一个超过-45DB。因此，本实施例提供的滤波芯片10能够对输入信号实现高效多通道滤波，并输出多个不同频率的信号峰，输出的信号峰强度良好，能够满足下游分析或应用的需求。
本发明不限于上述实施例的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在本发明的保护之列。
Claims (10)
1.一种基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于，具有：
衬底层；以及
金属结构层，设置于所述衬底层的上表面，包括：
能量输入部，为共面波导结构，具有第一等离子传输线，用于获取信号；
第一转换部，与所述能量输入部连接，包括第一Vivaldi天线以及第二等离子传输线，用于激发表面等离子体激元，并将所述能量输入部获取的信号由准TEM波模式转化为表面波模式，所述第二等离子传输线沿所述衬底层的中轴线延伸，两侧设置有复数个凹槽，并与所述第一等离子传输线连接；
波导传输谐振部，具有第三等离子传输线、第四等离子传输线及弯月周期结构，用于进行波导传输及谐振；
第二转换部，与所述波导传输谐振部连接，包括第二Vivaldi天线以及第五等离子传输线，用于将所述波导传输谐振部传出的信号由表面波模式转化为准TEM波模式，所述第五等离子传输线沿所述衬底层的中轴线延伸，两侧设置有复数个凹槽，并与所述第四等离子传输线连接；
能量输出部，为共面波导结构，用于输出信号，具有第六等离子传输线，该第六等离子传输线与所述第五等离子传输线连接；
其中，所述第三等离子传输线及所述第四等离子传输线均沿所述衬底层的中轴线延伸；所述第三等离子传输线与所述第二等离子传输线连接，呈由宽至窄的渐变带状结构，两侧设置有复数个凹槽，并在末尾部分形成尖端；所述第四等离子传输线呈由窄至宽的渐变带状结构，两侧设置有复数个凹槽，并在起始部分形成尖端，该尖端与所述第三等离子传输线末尾部分的尖端相对，并间隔一定距离；
所述弯月周期结构由两个弯月环组构成，该两个弯月环组以所述衬底层的中轴线为对称轴对称分布，每个弯月环组包含层数相同且至少为两层的弯月环。
2.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述第二等离子传输线两侧的凹槽包括8～10个渐变凹槽及8～12个固定凹槽，其中渐变凹槽的槽深逐渐加大，固定凹槽的槽深不变；
所述第三等离子传输线两侧的凹槽为8～10个渐变凹槽，随着所述第三等离子传输线的由宽变窄，其槽深逐渐降低，并且所述第三等离子传输线末尾部分的尖端两侧不具有凹槽；
所述第四等离子传输线两侧的凹槽为8～10个渐变凹槽，随着所述第四等离子传输线的由窄变宽，其槽深逐渐增加，并且所述第四等离子传输线起始部分的尖端两侧不具有凹槽；
所述第五等离子传输线两侧的凹槽包括8～10个固定凹槽及8～12个渐变凹槽，其中固定凹槽的槽深不变，渐变凹槽的槽深逐渐降低。
3.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述第三等离子传输线末尾部分的尖端与所述第四等离子传输线起始部分的尖端之间的距离为0.5mm～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述第三等离子传输线与所述第四等离子传输线呈点对称分布，对称点为所述衬底层的中心点。
5.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述弯月环的层数为5～6层；
各层弯月环按照面积从小到大分布，面积小的弯月环靠近所述衬底层的中轴线，面积大的弯月环远离所述衬底层的中轴线。
6.根据权利要求5所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，相邻两层弯月环之间的面积比为1:1.5。
7.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，各个弯月环的圆心与所述衬底层的中心点位于同一条直线上，该直线垂直于所述衬底层的中轴线。
8.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述衬底层由环氧玻璃纤维板材料制成。
9.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述金属结构层由金制成。
10.根据权利要求1或9所述的基于弯月周期结构的多通道滤波芯片，其特征在于：
其中，所述金属结构层的厚度为10μm～50μm。
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