CN110137639A - 一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，涉及人工表面等离激元滤波器。提供能够减小器件尺寸、调节电磁波传输频带、增强电磁波束缚性的一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器。设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构、中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构和人工表面等离激元的过渡结构，所述人工表面等离激元的过渡结构设在共面波导馈电结构与中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构之间，所述共面波导馈电结构位于介质基板两端。通过调节勾型单元结构横向枝节长度来控制其滤波频带，具有尺寸小、易于加工、传输率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及人工表面等离激元滤波器，尤其是涉及一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器。
背景技术
表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是外界电磁场与金属表面区域自由电子相互作用形成的沿金属表面传播的电子疏密波。由于在光波段，金属具有负的介电常数，根据电磁场的边界条件，可以证明，金属表面存在着光波段的表面等离激元。表面等离激元具有两个明显特征，第一，其传播方向上的波矢比光波矢要大；第二，在传播方向垂直的方向，场是呈指数衰减的，具有高束缚性。这种独特的传输特性，对器件小型化，低损耗十分有利。但遗憾的是，在太赫兹波段，甚至更低的微波段，金属表面为理想电导体(PEC)而非等离子体，导致金属无法在微波、毫米波以及太赫兹波段激发出表面等离激元。因此，为了在低频波段模拟出光波段的表面等离激元，将其应用在微波小型化器件与电路的研发中，英国的Pendry爵士以及其同事首先在金属表面上设计人工周期介质孔阵列结构，有效地降低了金属表面等离子体频率，得到从而构建出微波和毫米波频段的人工表面等离激元(Spoof SPP，又称为Designer SPP)。
目前，已经有多种基于人工表面等离激元滤波器，如文献(Zhang Q,Zhang H C,WuH,et al.A Hybrid Circuit for Spoof Surface Plasmons and Spatial WaveguideModes to Reach Controllable Band-Pass Filters[J].Scientific Reports,2015,5:16531.)提出了一种基于人工表面等离激元的带通滤波器，实现了低损耗滤波功能。
但是，目前报道的人工表面等离激元滤波器大多数采用直线形枝节或者凹槽，电磁波的束缚性差，尺寸往往较大，传输率较低，并且不具有根据需求调节通带功能，难以投入实际使用。
发明内容
本发明的目的在于提供能够减小器件尺寸、调节电磁波传输频带、增强电磁波束缚性的一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器。
本发明设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构、中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构和人工表面等离激元的过渡结构，所述人工表面等离激元的过渡结构设在共面波导馈电结构与中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构之间，所述共面波导馈电结构位于介质基板两端。
所述介质基板的厚度可为0.8mm，相对介电常数可为2.2，损耗角正切值不大于0.0037，长边长度可为230mm，短边长度可为35.8mm。
所述共面波导馈电结构设有中间导体部分和分布导体两端的金属地结构。
所述分布导体两端的金属地结构可采用矩形金属地结构，矩形金属地结构的长边长度可为15mm，短边长度可为10mm，中间金属导体部分宽度可为5mm，矩形金属地结构位于中心导体两侧，相距导体的缝隙宽度为0.4mm。
所述人工表面等离激元的过渡结构设有中间的人工表面等离激元的波矢匹配带和边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构。
所述波矢匹配带由共面波导馈电结构中间导体延伸而出的金属传输线加载纵向长度渐变的勾型枝节结构组成。所述勾型枝节结构均为中心对称结构，随着金属传输线的延伸，纵向长度由0.5mm均匀变化到4mm，其余尺寸保持不变，勾型枝节结构中下方纵向矩形枝节长度可为4mm，宽度可为0.8mm，勾型枝节结构中上方横向矩形枝节长度可为1mm，宽可为0.4mm。
所述中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构周期单元由矩形条带加载中心对称勾型金属枝节结构构成。
本发明可在不改变整体尺寸大小的情况下，改变参数e来调控，滤波器的特性参数。
本发明降低了渐进频率，增强了电磁场的束缚性和对滤波器截止频率的可控性，对减少平面SSPP滤波器尺寸具有重要意义。
与现有技术比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
本发明在人工表面等离激元的过渡结构和中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构上采用新型中心对称勾型单元结构周期结构来导引微波和毫米波，很好地模拟了光波段的表面等离激元，相对于传统的直线型枝节单元结构，该结构的色散曲线进一步偏离光锥线，渐进频率低于传统SSPP波导的渐进频率，并且可以在不改变滤波器整体尺寸的情况下，通过调节勾型单元结构横向枝节长度来控制其滤波频带，具有尺寸小、易于加工、传输率高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成俯视图。
图2为本发明实施例周期单元结构的尺寸参数图。
图3为本发明实施例所述共面波导馈电结构和人工表面等离激元的过渡结构的尺寸参数图。
图4为本发明实施例的色散曲线图。
图5为本发明实施例的回波损耗与传输系数的仿真结果。
图6为本发明实施例的传输系数随受参数e影响的变化图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明实施例设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构1、中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构3和人工表面等离激元的过渡结构2，所述人工表面等离激元的过渡结构2设在共面波导馈电结构1与中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构3之间，所述共面波导馈电结构1位于介质基板两端。
所述共面波导馈电结构1设有中间导体部分和分布导体两端的金属地结构。
所述人工表面等离激元的过渡结构2设有中间的人工表面等离激元的波矢匹配带和边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构；所述波矢匹配带含有边长渐变的勾型枝节结构。
所述中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构3的周期单元由矩形条带加载高度渐变的中心对称勾型金属结构构成。
所述介质基板的厚度为0.8mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切值不大于0.0037，长边长度A为230mm，短边长度B为35.8mm。
参见图2，所述带通滤波器单元结构由上下中心对称的勾型金属结构组成，周期长度p＝5mm，其中，勾型结构中下方纵向矩形枝节长度h＝4mm，宽度f＝0.8mm，勾型结构中上方横向矩形枝节长度e＝1mm，宽f1＝0.4mm，勾型结构分别离开周期边界距离为a＝1mm，中间矩形传输带高度H＝5mm。
参见图3，所述共面波导馈电结构1由中间导体部分和分布导体两端金属地组成。其中，分布导体两端的矩形金属地结构长边长度w为15mm，短边长度L1为10mm，中间金属导体部分宽度H为5mm，矩形金属地位于中心导体两侧，相距导体的缝隙宽度s为0.4mm。所述人工表面等离激元的过渡结构2由枝节总长渐变的波矢匹配带和分布两端边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构组成，波矢匹配带由共面波导馈电结构1中间导体延伸而出的金属传输线加载纵向长度渐变的勾型枝节结构组成，勾型枝节均为中心对称的结构，随着金属传输线的延伸，纵向长度由h1为0.5mm均匀变化到h为4mm，其余尺寸保持不变。
参见图4，是一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器周期单元结构的色散曲线。可见随枝节总纵向长度h的增大，色散曲线进一步偏离光锥线，相比于传统的矩形槽，其表面等离激元的场束缚特性更加明显。
参见图5，是一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器回波损耗、传输系数的仿真值，回波损耗小于-10dB且传输系数大于-3dB带宽为1.57～10.05GHz。
参见图6，是一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器传输系数随参数e的变化图。可见随着勾型金属结构中，横向枝节长度e的调节下，滤波器的截止频率也发生了变化，随着横向枝节长度e的增加，截止频率逐渐减小。
Claims (8)
1.一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构、中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构和人工表面等离激元的过渡结构，所述人工表面等离激元的过渡结构设在共面波导馈电结构与中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构之间，所述共面波导馈电结构位于介质基板两端。
2.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述介质基板的厚度为0.8mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切值不大于0.0037，长边长度为230mm，短边长度为35.8mm。
3.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述共面波导馈电结构设有中间导体部分和分布导体两端的金属地结构。
4.如权利要求3所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述分布导体两端的金属地结构采用矩形金属地结构，矩形金属地结构的长边长度为15mm，短边长度为10mm，中间金属导体部分宽度为5mm，矩形金属地结构位于中心导体两侧，相距导体的缝隙宽度为0.4mm。
5.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述人工表面等离激元的过渡结构设有中间的人工表面等离激元的波矢匹配带和边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构。
6.如权利要求5所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述波矢匹配带由共面波导馈电结构中间导体延伸而出的金属传输线加载纵向长度渐变的勾型枝节结构组成。
7.如权利要求6所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述勾型枝节结构均为中心对称结构，随着金属传输线的延伸，纵向长度由0.5mm均匀变化到4mm，其余尺寸保持不变，勾型枝节结构中下方纵向矩形枝节长度为4mm，宽度为0.8mm，勾型枝节结构中上方横向矩形枝节长度为1mm，宽为0.4mm。
8.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，其特征在于所述中间的人工表面等离激元带通滤波器传输结构周期单元由矩形条带加载中心对称勾型金属枝节结构构成。
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