CN108767380A - 一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器。该滤波器的最上层为微带激励结构(1)，在微带激励结构(1)的下面设置上层介质基板(4)，该滤波器的最下层为大面积金属地(3)，在大面积金属地(3)上面设有下层介质基板(6)，在上层介质基板(4)与下层介质基板(6)之间设有人工局域表面等离激元(2)、半固化片(5)；人工局域表面等离激元和微带激励结构的中心重合。该宽带带通滤波器具有匀称的形状和紧凑的尺寸，同时具有可观的带宽、插损及寄生频带抑制；在小型化高集成度的微波电路和器件中具有广阔的应用前景。

Description

一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器
技术领域
本发明涉及一种宽带带通滤波器技术,属于微波毫米波以及通信、雷达、集成电路技术领域。
背景技术
滤波器是微波系统中必不可少的一类器件，其性能对整个微波系统的指标有着至关重要的影响。带通滤波器，是滤波器中最常用的一种。窄带带通滤波器(相对带宽<20％)，可基于滤波器电路综合方法进行设计，如耦合线滤波器、耦合谐振器滤波器等。而宽带带通滤波器，常基于多模谐振器，如阶跃阻抗线、阶跃阻抗谐振环等，并引入结构的对称性破缺使得简并模式劈裂，从而进一步提高带宽。传统微带滤波器中带宽最为理想的就是阶跃阻抗线滤波器，但其形状总是非常细长，且长度难以压缩，不利于电路的小型化设计。
人工局域表面等离激元，为一种基于人工亚波长结构的谐振器，通常为周期锯齿状结构的圆柱或圆盘。人工局域表面等离激元具有和光频的局域表面等离激元相似的特性，如高度的场增强、深度亚波长的场局域性等；因此在制造高灵敏度器件、减小电路和器件尺寸等方面具有很大的应用潜力。人工局域表面等离激元具有多阶谐振模式，在强耦合下，多阶谐振峰可连成谐振频带。由于人工局域表面等离激元所有径向基模(角向的高阶模式)均包含在通带内，寄生通带由难以激励的径向高阶模式产生，因此寄生通带频率高，且寄生通带S21值低。
本发明基于人工局域表面等离激元谐振结构，利用微带激励结构与人工局域表面等离激元间的强耦合，实现对人工局域表面等离激元多个谐振模式的同时有效激励，形成宽带的带通滤波器。此种类型的滤波器具有匀称的形状、紧凑的电路面积，同时保持宽的通带及优良的群时延和寄生谐波抑制特性；通过改变人工局域表面等离激元的结构参数，可实现对滤波器通带的调谐。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，此类滤波器具有匀称的形状、紧凑的电路面积，同时保持宽的通带及优良的群时延和寄生谐波抑制特性；通过改变人工局域表面等离激元的结构参数，可实现不同通带范围的滤波器。
技术方案：本发明是一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，该滤波器的最上层为微带激励结构，在微带激励结构的下面设置上层介质基板，该滤波器的最下层为大面积金属地，在大面积金属地上面设有下层介质基板，在上层介质基板与下层介质基板之间设有人工局域表面等离激元、半固化片；人工局域表面等离激元和微带激励结构的中心重合。
所述的微带激励结构为输入-输出的微带线，微带线宽度由w1渐变至w2，渐变段长度l，对称的渐变微带线之间距离为s；微带线宽度w1和w2、渐变段长度l、对称的渐变微带线之间距离s取值范围在10μm～100mm之间。
所述的人工局域表面等离激元为圆环形的锯齿状，内半径为r，外半径为R，一周共有N个锯齿周期，每个周期中，金属条宽度为a，单个周期宽度为d，其中d＝2*π*R/N,a<d；且内半径r，外半径R、锯齿周期N、金属条宽度a、单个周期宽度d取值范围在10μm～100mm之间。
所述的微带激励结构、人工局域表面等离激元、大面积金属地为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。
所述的上层介质基板和下层介质基板为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。
所述的微带激励结构、人工局域表面等离激元、大面积金属地的厚度为50nm～1mm之间。
所述的上层介质基板、下层介质基板的厚度为1μm～10mm之间。
所述的半固化片的厚度为5μm～5mm之间。
所述的半固化片，位于上层介质基板和下层介质基板之间，可位于人工局域表面等离激元的上层或下层。
有益效果：本发明中的带通滤波器，基于亚波长的多模谐振结构人工局域表面等离激元，具有匀称的形状、紧凑的电路面积和宽的带宽，并具有良好的群时延和寄生谐波抑制。通过改变人工局域表面等离激元的结构参数，可实现不同通带范围的滤波器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图的正视图，
图2为为本发明的结构示意图的侧视图，
图3为人工局域表面等离激元的结构图，
图4为微带激励结构的结构图，
图5为实施例一的仿真(实线)及测试(圆圈)S参数。
图6为实施例二的仿真(实线)及测试(圆圈)S参数。
图中有：微带激励结构1、人工局域表面等离激元2、大面积金属地3、上层介质基板4、半固化片5、下层介质基板6。
具体实施方式
本发明通过微带激励结构和人工局域表面等离激元间的强耦合，实现对人工局域表面等离激元多个谐振模式的同时有效激励，从而实现一种新型的宽带带通滤波器。
本发明的一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于：该滤波器包括微带激励结构、人工局域表面等离激元、大面积金属地、上层介质基板半固化片和下层介质基板。其中人工局域表面等离激元位于微带激励结构下层；半固化片位于上层介质基板和下层介质基板之间、人工局域表面等离激元的上层或者下层。
其中：
所述的上层介质基板和下层介质基板为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202、，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料
所述的微带激励结构、人工局域表面等离激元、大面积金属地为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁、钛的单一材料或其复合材料。
所述的上层介质基板和下层介质基板的厚度为1μm～10mm之间。
所述的半固化片的厚度为5μm～5mm之间
所述的微带激励结构、人工局域表面等离激元、大面积金属地的厚度为50nm～1mm之间。
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的结构示意图的正视图，图2为侧视图。本发明结构包括微带激励结构1、局域人工表面等离激元2、大面积地3、上层介质基板4、半固化片5、下层介质基板6。其中人工局域表面等离激元2位于微带激励结构1下方；半固化片5位于上层介质基板4和下层介质基板6之间，可位于人工局域表面等离激元2的上方或下方。上层介质基板4和下层介质基板6的材料可以相同也可以不同。
图3为人工局域表面等离激元的结构图，图4为微带激励结构的结构图。如图3,人工局域表面等离激元的内半径为r，外半径为R，一周共有N个锯齿周期。每个周期中，金属条宽度为a，单个周期宽度为d。如图4,微带线宽度由w1渐变至w2，渐变段长度l，对称的渐变微带线之间距离为s。人工局域表面等离激元和微带激励结构的中心重合。采用渐变宽度的微带线，是为了实现对人工表面等离激元多个谐振模式的同时高效激励。微带线宽度w1和w2、渐变段长度l、对称的渐变微带线之间距离s取值范围在10μm～100mm之间。
实施例一
本发明的实施例一，结构如图1-4所示，其中上层介质基板4和下层介质基板6均为0.508mm厚的Rogers RT5880，半固化片)介电常数为3.5，介质损耗角为0.004，厚度为0.1mm。微带激励结构1、人工局域表面等离激元2和大面积金属地3均为0.018mm厚的铜。本实施例的人工局域表面等离激元结构参数为：r＝2.5mm,R＝10mm,N＝32，a/d＝0.6，即a＝0.82mm，d＝1.96mm；微带激励结构参数为：w1＝3.5mm，w2＝0.2mm，l＝12.5mm，s＝3mm。
实施例一的仿真和测试S参数如图5所示。本实施例中的带通滤波器，中心频率4.3GHz，3dB带宽53％(3dB带宽定义为S21>-3dB对应的频率带宽除以中心频率)。此滤波器通带内的群时延约1ns，寄生通带起始边缘位于15GHz(约3.4倍中心频率)。
实施例二
本发明的实施例二，所采用的材料及材料厚度和实施例一相同。其中人工局域表面等离激元的结构参数为：r＝2.5mm，R＝5mm，N＝32，a/d＝0.6；微带激励结构参数为：w1＝3.5mm，w2＝0.2mm，l＝7.5mm，s＝2mm。
实施例二的仿真及测试S参数如图6所示。本实施例中的带通滤波器中心频率11.7GHz，3dB带宽为73％。(测试的S21数据在高频处低于仿真值，是由于测试所用的SMA连接器工作频率低，在10GHz以上损耗较大。)此滤波器通带内的群时延为1ns，寄生通带起始边缘在31GHz(约3.6倍中心频率)。

Claims (9)

1.一种基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于：该滤波器的最上层为微带激励结构(1)，在微带激励结构(1)的下面设置上层介质基板(4)，该滤波器的最下层为大面积金属地(3)，在大面积金属地(3)上面设有下层介质基板(6)，在上层介质基板(4)与下层介质基板(6)之间设有人工局域表面等离激元(2)、半固化片(5)；人工局域表面等离激元和微带激励结构的中心重合。
2.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的微带激励结构(1)为输入-输出的微带线，微带线宽度由w1渐变至w2，渐变段长度l，对称的渐变微带线之间距离为s；微带线宽度w1和w2、渐变段长度l、对称的渐变微带线之间距离s取值范围在10μm～100mm之间。
3.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的人工局域表面等离激元(2)为圆环形的锯齿状，内半径为r，外半径为R，一周共有N个锯齿周期，每个周期中，金属条宽度为a，单个周期宽度为d，其中d＝2*π*R/N,a<d；且内半径r，外半径R、锯齿周期N、金属条宽度a、单个周期宽度d取值范围在10μm～100mm之间。
4.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的微带激励结构(1)、人工局域表面等离激元(2)、大面积金属地(3)为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。
5.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的上层介质基板(4)和下层介质基板(6)为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。
6.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的微带激励结构(1)、人工局域表面等离激元(2)、大面积金属地(3)的厚度为50nm～1mm之间。
7.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的上层介质基板(4)、下层介质基板(6)的厚度为1μm～10mm之间。
8.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的半固化片(5)的厚度为5μm～5mm之间。
9.根据权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的宽带滤波器，其特征在于所述的半固化片(5)，位于上层介质基板(4)和下层介质基板(6)之间，可位于人工局域表面等离激元(2)的上层或下层。
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