CN106199269B - 基于弯月周期结构的高效多通道滤波器检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于弯月周期结构的多通道滤波器检测装置及方法，金属结构层通过光刻和镀膜附着在衬底上，述金属结构层包括能量传输部分、转换部分、波导传输部分、谐振环部分，能量传输部分具有一个共面波导；转换部分由Vivaldi天线的经典指数方程绘出，用于激发表面等离子体激元，保证宽频带的高效激励；波导传输部分由渐变沟槽、固定沟槽、渐变深漕的金属波导组成，用于控制其传输频率，汇聚能量；传输部分中间设有一个缺口，用于配合谐振环部分工作；谐振环部分由多个依次排列的弯月谐振环组成，通过弯月波导耦合产生多个谐振峰；所述安捷伦矢量网络分析仪的探针置于能量传输部分，用于发射、探测信号以及实现高效多通道滤波器的检测。

Description

基于弯月周期结构的高效多通道滤波器检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于表面等离子体激元波导的高效多通道滤波器, 具体是涉及一种基于弯月周期结构的高效多通道滤波器检测装置及检测方法。
背景技术
电磁波在生物医学、安全监测、无损伤探测、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传感器已经在生物和医学研究中广泛使用。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。
表面等离子体激元的工作原理是：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。
因引，通过设计高效传输的波导和谐振环耦合共振，可以设计高效多通道滤波器。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种基于弯月周期结构的高效多通道滤波器检测装置及方法，采用标准的光刻及镀膜方法，以FR-4材料或其他材料为衬底，金或其他导体材料为金属结构层，设计基于表面等离子体激元波导的高效多通道滤波器。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于弯月周期结构的多通道滤波器检测装置，包括金属结构层、衬底、安捷伦矢量网络分析仪，所述金属结构层通过光刻和镀膜附着在衬底上，所述金属结构层包括能量传输部分、转换部分、波导传输部分、谐振环部分，能量传输部分具有一个共面波导；转换部分由Vivaldi天线的经典指数方程绘出，用于激发表面等离子体激元，保证宽频带的高效激励；波导传输部分由渐变沟槽、固定沟槽、渐变深漕的金属波导组成，用于控制其传输频率，汇聚能量；传输部分中间设有一个缺口，用于配合谐振环部分工作；谐振环部分由多个依次排列的弯月谐振环组成，通过弯月波导耦合产生多个谐振峰；所述安捷伦矢量网络分析仪的探针置于能量传输部分，用于发射、探测信号以及实现高效多通道滤波器的检测。
所述金属波导的渐变沟槽的数量为8~10个，固定沟槽的数量为8~12个。所述传输部分中间缺口尺寸在0.5mm~0.8 mm间。所述的弯月谐振环内外层尺寸比例为1:1.5。所述金属结构层的厚度在100~500nm间，便于传输耦合和剥离。所述的衬底为FR-4环氧玻璃布层压板。所述的能量传输部分的端口宽度为10mm，阻抗匹配端口间隙为0.25mm，接地部分的高度在50~100mm间，满足工程上50Ω的阻抗匹配。
一种基于弯月周期结构的多通道滤波器的检测方法，具体包括如下步骤：
1）将基于弯月周期结构的多通道滤波器芯片放在用于探测的静电台上；
2）将安捷伦矢量网络分析仪引出两个探针端口，分别置于多通道滤波器芯片波导两侧端口处，对端口信号检测，探测多个谐振峰的共振频率，观察S21参数，从而最终实现多通道滤波器的检测。
本发明的有益效果在于：通过设计高效波导传输装置，和表面等离子体激元激发谐振环共振，产生高Q值的多个谐振峰。在实际应用中操作简便，提高滤波器检测效率。
附图说明
图1为基于弯月周期结构的高效滤波器检测装置结构尺寸示意图；
图2为基于弯月周期结构的高效滤波器装置的能量传输、转换、波导传输和谐振环示意图；
图3为基于弯月周期结构的高效滤波器检测装置及探测方法示意图；
图4为S21参数图。
图中 尺寸字母分别代表：
a代表：等离子传输线中心缺口宽度；
w 代表：端口宽度；
g 代表：阻抗匹配端口间隙；
h代表：波导高度；
d1代表：金属层厚度；
d2代表：FR-4衬底厚度。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1至图4所示，一种基于弯月周期结构的多通道滤波器芯片，包括金属结构层。
金属结构层通过光刻和镀膜附着在衬底上，所述金属结构层包括能量传输部分、转换部分、波导传输部分、谐振环部分，能量传输部分具有一个共面波导；转换部分由Vivaldi天线的经典指数方程绘出，用于激发表面等离子体激元，保证宽频带的高效激励；波导传输部分由渐变沟槽、固定沟槽、渐变深漕的金属波导组成，用于控制其传输频率，汇聚能量；传输部分中间设有一个缺口，用于配合谐振环部分工作；谐振环部分由多个依次排列的弯月谐振环组成，通过弯月波导耦合产生多个谐振峰，实现多通道滤波器。
金属波导的渐变沟槽的数量为8~10个，固定沟槽的数量为8~12个。
传输部分中间缺口尺寸在0.5mm~0.8 mm间。弯月谐振环内外层尺寸比例为1:1.5。金属结构层的厚度在100~500nm间，便于传输耦合和剥离。衬底为FR-4环氧玻璃布层压板。能量传输部分的端口宽度为10mm，阻抗匹配端口间隙为0.25mm，接地部分的高度在50~100mm间，满足工程上50Ω的阻抗匹配。
本发明的基于弯月周期结构的多通道滤波器芯片，结构分为三部分：能量传输部分1、转换部分2、波导传输和谐振环部分3。将安捷伦矢量网络分析仪的探针置于能量传输部分，发射和探测信号。观察安捷伦矢量网络分析仪的S21参数，当本发明装置中弯月谐振环共振产生的谐振峰出现的频率点不同，且谐振峰具有高Q值，从而实现高效多通道滤波器
本发明的方案原理为：能量传输部分是一个共面波导，保证端口50Ω的阻抗匹配，通过SMA连接器从同轴电缆处获取输入信号；转换部分由Vivaldi天线的经典指数方程绘出，用于激发表面等离子体激元，保证宽频带的高效激励；波导传输和谐振环部分通过设计渐变漕深的金属波导，控制其传输频率，汇集能量，由波导耦合产生谐振峰，由波导高效传输到端口，对端口信号检测，探测谐振峰的共振频率，从而最终实现检测。
本发明的基于弯月周期结构的多通道滤波器检测方法，具体包括如下步骤：
1）将基于弯月周期结构的多通道滤波器检测装置放在用于探测的静电台上；
2）将安捷伦矢量网络分析仪引出两个探针端口，分别置于多通道滤波器检测装置的波导两侧端口处，对端口信号检测，探测多个谐振峰的共振频率，观察S21参数（图4），从而最终实现多通道滤波器的检测。其中：S21表示增益或插入损耗，描述信号经过器件后被放大的倍数或者衰减量。
在本实施例中，金属的材质为金或其他导体材料，厚度d1为0.018mm。
图1中所用衬底为长宽1cm×1cm的FR-4或其他介质材料，厚度d2为0.5mm，金属结构层通过光刻和镀膜附着在FR-4衬底上。其中，1为能量传输部分，将图2网络分析仪的探针置于连接波导的部分，上下两部分为接地端，w为25mm，为保证端口50Ω阻抗匹配，与接地端的缝隙间距g为0.25mm。弯月谐振环按1：1.5依次排列，波导高度h为2mm。2为转换部分，为50Ω的阻抗匹配设计渐变结构，完成模式转换。3为波导传输和谐振环部分，通过波导结构，激发等离子体激元，通过波导耦合谐振环共振，出现多个Q值不同的谐振峰，从而实现高效的多通道滤波器检测。
本发明的实施例的作用与效果：
本实施例涉及的一种基于弯月周期结构的高效多通道滤波器检测装置，结构简单，采用了金或其他导体材料作为金属层的材质，FR-4或其他介质材料作为其衬底。本实施例涉及的一种基于弯月周期结构的高效多通道滤波器检测装置，通过波导耦合，激发表面等离子体激元，引起多个谐振环共振，实现多通道滤波器。

Claims (7)

1.一种基于弯月周期结构的多通道滤波器检测装置，包括金属结构层、衬底、安捷伦矢量网络分析仪，其特征在于：所述金属结构层通过光刻和镀膜附着在衬底上，所述金属结构层包括能量传输部分、转换部分、波导传输部分、谐振环部分，能量传输部分具有一个共面波导；转换部分由Vivaldi天线的经典指数方程绘出，用于激发表面等离子体激元，保证宽频带的高效激励；波导传输部分由渐变沟槽、固定沟槽、渐变深漕的金属波导组成，用于控制其传输频率，汇聚能量；传输部分中间设有一个缺口，用于配合谐振环部分工作；谐振环部分由多个依次排列的弯月谐振环组成，通过弯月波导耦合产生多个谐振峰；所述安捷伦矢量网络分析仪的探针置于能量传输部分，用于发射、探测信号以及实现高效多通道滤波器的检测；所述的能量传输部分的端口宽度为10mm，阻抗匹配端口间隙为0.25mm，接地部分的高度在50~100mm间，满足工程上50Ω的阻抗匹配。
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器检测装置，其特征在于：所述金属波导的渐变沟槽的数量为8~10个，固定沟槽的数量为8~12个。
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器检测装置，其特征在于：所述传输部分中间缺口尺寸在0.5mm~0.8 mm间。
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器检测装置，其特征在于：所述的弯月谐振环内外层尺寸比例为1:1.5。
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器检测装置，其特征在于：所述金属结构层的厚度在100~500nm间，便于传输耦合和剥离。
6.根据权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波器检测装置，其特征在于：所述的衬底为FR-4环氧玻璃布层压板。
7.一种采用权利要求1所述的基于弯月周期结构的多通道滤波器检测装置的检测方法，具体包括如下步骤：
1）将基于弯月周期结构的多通道滤波器芯片放在用于探测的静电台上；
2）将安捷伦矢量网络分析仪引出两个探针端口，分别置于多通道滤波器芯片波导两侧端口处，对端口信号检测，探测多个谐振峰的共振频率，观察S21参数，从而最终实现多通道滤波器的检测。
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