CN110048198A - 基于表面等离子激元传输线的滤波器 - Google Patents

基于表面等离子激元传输线的滤波器 Download PDF

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尚会锋
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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子激元(SPP)传输线的滤波器，属于滤波器领域。该滤波器设置于一块介质基板上，利用周期性表面等离子激元传输线作为其主传输线，利用终端过孔连接的四分之一波长双面平行带线作为谐振器。该滤波器在输入/输出端口分别设置了表面等离子激元结构的阻抗过渡段，用于实现传输模式从共面波导上的TEM模式转换为等离子激元(SPP)传输线上的TM模式。表面等离子激元传输线的辐射损耗低，不需要使用屏蔽盒体，能够在自由空间中使用，降低了生产成本，并方便使用。表面等离子激元传输线作为主传输线，其慢波效应缩短了主传输线的总长度，从而减小了滤波器的总长度。另外，该滤波器具有较宽的带宽。

Description

基于表面等离子激元传输线的滤波器
技术领域
本发明涉及基于表面等离子激元传输线滤波器领域。
背景技术
随着表面等离子激元传输线的快速发展，科研工作者发现表面等离子激元传输线可应用于微波器件的设计及电路集成。而带通滤波器作为微波器件中的一种重要器件，具有滤除干扰信号，传输有用信号的作用。现有的滤波器，例如微带滤波器和腔体滤波器，往往需要金属屏蔽，否则辐射损耗高，因而体积较大，成本较高，有时使用不方便。而表面等离子激元传输线不仅具有辐射损耗小，无需屏蔽，并且其慢波效应可以有效缩短了滤波器的总长度。
本发明将表面等离子激元的传输线引入滤波器的设计，不仅达到滤波器的作用，还发挥了表面等离子激元传输线辐射损耗低，不需要使用屏蔽盒体，能在自由空间使用，尺寸相对也较小，降低了生产成本等优点。
发明内容
本发明利用表面等离子体激元传输线设计微波带通滤波器。利用周期性表面等离子激元传输线作为其主传输线，利用终端过孔连接的四分之一波长双面平行带线作为谐振器。该滤波器在输入/输出端口分别设置了表面等离子激元结构的阻抗过渡段，用于实现传输模式从共面波导上的TEM模式转换为慢波传输线上的TM模式。
该表面等离子激元传输线设计的带通滤波器具有辐射损耗较低、尺寸相对较小、制作成本较低和使用方便等特点。
技术效果：
1.本发明所述的基于表面等离子激元传输线的带通滤波器，利用双面周期性等离子激元传输线作为其主传输线，利用终端过孔的四分之一波长平行带线作为谐振器，该滤波器在输入/输出端分别设置了表面等离子激元结构的阻抗过渡段，用于实现传输模式由共面波导上TEM模式到慢波传输线上的TM模式转换。从而实现了带通的效果。
2.本发明所述的表面等离子激元传输线的带通滤波器具有较低的辐射损耗低，不需要使用屏蔽盒体，能够在自由空间中使用，生产成本低。
3.因为等离子激元传输线的慢波效应，本发明所述滤波器的总尺寸相对较小。
附图说明：
图1基于表面等离子激元传输线的带通滤波器结构图
图2表面等离子激元传输线
图3表面等离子激元传输线色散曲线
图4从共面波导到表面等离子激元传输线的阻抗过渡段
图5表面等离子激元传输线滤波器的S参数仿真曲线
具体实施方式
图1为表面等离子激元传输线所设计滤波器的结构图。图1(a)为该滤波器正面视图，图1(b)为该滤波器反面视图。利用双面周期性表面等离子激元慢波传输线作为滤波器的主传输线，使用多个终端过孔连接的四分之一波长双面平行带线作为谐振器加载在主传输线上。相邻两个谐振器之间的表面等离子激元传输线的电长度在滤波器中心频率处约为90度。在输入/输出端使用扇形结构和传统传输线组成的共面波导，经过表面等离子激元结构的阻抗过渡段连接到表面等离子激元传输线，电磁波也从共面波导上的TEM模式过渡到表面等离子激元传输线上的TM模式。滤波器正面电路与反面电路基本相同，区别在于反面电路在输入/输出端没有扇形结构，由传统微带线经宽度渐变的阻抗变换段连接到表面等离子激元传输线。
图2是滤波器中作为主传输线的表面等离子激元传输线的正面或反面电路。该传输线的金属导带为周期性结构，其宽度周期性变化，形成周期性出现的凹槽和突起。单个表面等离子激元的长度D，槽宽S，槽深G，底座高度L。
图3分别给出了共面波导和三种不同凹槽深度的等离子激元传输线的色散曲线。其中k为传输线的相位系数，等离子激元传输线的kD值与频率呈非线性关系。每一条等离子激元传输线随着频率的升高，其kD值趋向于π，而kD达到π的频点为截止频点，超过截止频率后，传输线截止，信号不能通过。可以看到，表面等离子激元传输线随着凹槽深度的增加，其截止频率变得越来越低。
图4为从共面波导结构和表面等离子激元结构的阻抗变换段。图4(a)为该部分正面视图，图4(b)为该部分的反面试图。该阻抗变换段正面的中心导带的两侧设置了扇形金属导带，随着中心导带与两侧扇形结构的距离渐渐变大，电磁信号的传输模式从准TEM模式变换到TM模式。中心导带再经过尺寸渐变的多个表面等离子激元电路单元，实现阻抗的匹配。
本发明给出了一个基于表面等离子激元传输线的滤波器的设计实例。
该滤波器所选用介质板材选用F4B，相对介质常数2.65，正切损失角0.003。厚度为1mm，长、宽分别为234mm，60mm。其中单个表面等离子激元尺寸如图2，长D＝6mm，槽深G＝4mm，槽宽S＝3mm，底座L＝2mm。每相隔3个表面等离子激元单元加载一个谐振器。谐振器长度为30mm，宽是4mm。如图4，该滤波器端口处是由扇形结构和传统微带线组成的共面波导，其中扇形的长40mm，宽20mm，扇形边缘曲线为指数函数曲线。共面波导经阶梯阻抗变换转换为表面等离子激元传输线，其中阶梯阻抗变换模式共有七个单元组成，七个单元的槽深分别从0.5mm到3.5mm依次递增。
该表面等离子激元传输线带通滤波器的中心频率f0＝1.5GHz，带宽BW＝1.2GHz，相对带宽80％。经电磁场仿真获得该滤波器的S11和S21曲线如图5所示。

Claims (3)

1.一种基于表面等离子激元传输线的滤波器，其特征是，该滤波器使用双面周期性表面等离子激元慢波传输线作为滤波器的主传输线，使用终端过孔连接的四分之一波长双面平行带线作为谐振器加载在主传输线上。在输入/输出端使用表面等离子激元结构的阻抗过渡段，用于实现传输模式由共面波导上TEM模式到慢波传输线上的TM模式转换以及阻抗匹配。
2.所述双面周期性表面等离子激元传输线，其特征是，该传输线分为正反两面电路，每一面的金属导带的宽度周期性变化，正反两面的金属导带完全一致，具有相同的长度、宽度、周期性，位置相互对应。
3.所述双面平行带线谐振器的结构，其特征是，该谐振器为两条金属带线，设置于介质基板正反两面，长宽尺寸完全一致，位置相互对应，其终端用金属过孔连接。
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