CN110165346B - 一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，包括三层结构，其中顶层包括谐振器和微带馈电结构，中间层为介质层，底层为金属地，所述微带馈电结构对称分布在谐振器两端，所述谐振器由末端连接在金属圆环上的周期性齿状阵列形成，所述周期性齿状阵列由若干齿状金属条带组成，所述金属圆环上开设有一个开口，所述开口设置在金属圆环上位于齿状金属条带的相互间隔区域部分上，所述开口用以改变原有的驻波谐振模式。本发明通过在金属圆环上增加开口结构，通过改变开口位置，可以激励或抑制特定的谐振模式，实现不同的驻波谐振效果和带通滤波特性，从而提升了滤波器的使用效果。

Description

一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器

技术领域

本发明涉及新型人工电磁媒质与微波技术领域，具体涉及一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器。

背景技术

表面等离激元可以在金属/介质交界面处将电磁波有效地局域在很小的亚波长范围内。根据传播特性的不同，表面等离激元可以分为在金属/介质交界面上传播的表面等离极化激元和局域在金属颗粒附近的局域表面等离激元两种。其中表面等离极化激元能够将电磁波有效局域在亚波长范围内进行远距离传输；而局域表面等离激元对电磁波会产生吸收和散射响应。金属能在近红外和光波频段呈现出等离子体的性质，使得金属表面存在表面等离激元。而在微波、太赫兹等波段，金属近似于完美导体，使其对电磁波的束缚非常弱，无法形成表面等离激元波。

为了实现微波频段的表面等离激元，早期的学者们提出了褶皱表面、一维金属凹槽和二维周期孔阵列等结构，证实了可以支持类似于光频段表面等离激元特性的表面波，由此产生了人工表面等离激元的概念，开启了新型人工电磁媒质的新纪元。自此，国内外对可以支持人工表面等离激元的新型金属结构化表面进行了广泛研究，提出了如周期刻槽形、螺旋形槽、梯形槽等结构，并对其传播、辐射、馈电、耦合原理等进行了深入探讨。

在人工表面等离激元研究日益进步的同时，人工局域表面等离激元谐振器对电磁波的吸收、散射和场增强效应也引起了研究人员的极大兴趣。2014年崔铁军教授课题组提出了超薄人工局域表面等离激元谐振结构。同年，崔铁军教授和Pendry爵士、Garcia-Vidal教授在螺旋形、弯折形开槽的谐振器中发现了人工局域表面等离激元磁谐振。2017年，周永金教授设计了一种双向开槽的谐振器，可以抑制奇次模的产生，并基于此设计了一种可电调的带通滤波器。逐步深入的研究发现，微波频段的人工局域表面等离激元，具有光波段局域表面等离激元所不具备的特性，如高阶特性、垂直传输特性等。

现有的基于人工局域表面等离激元谐振器的滤波器多是利用了向外放射形单边齿状结构，双边齿状闭合环结构，以及双边齿状双向开槽环结构。向外放射形单边齿状结构和双边齿状金属结构，尺寸不够紧凑。双向开槽的周期性双边齿状结构虽然可以抑制奇次模，实现可调滤波，但未能充分利用所有模式实现更多样性的调频。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，通过在金属圆环上增加开口结构，能够抑制不满足匹配条件的模式的产生，同时产生传统闭合环不具备的新模式。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，包括三层结构，其中顶层包括谐振器和微带馈电结构，中间层为介质层，底层为金属地，所述微带馈电结构对称分布在谐振器两端，所述谐振器由末端连接在金属圆环上的周期性齿状阵列形成，所述周期性齿状阵列由若干齿状金属条带组成，所述金属圆环上开设有一个开口，所述开口设置在金属圆环上位于齿状金属条带的相互间隔区域部分上，所述开口用以改变原有的驻波谐振模式。

进一步地，所述周期性齿状阵列中齿状金属条带的间隔宽度沿圆周切向保持不变，沿径向均匀减小，并且向内逐渐延伸，齿状金属条带末端聚拢靠近在谐振器中心形成一个内圆凹槽。

进一步地，所述微带馈电结构具有第一微带传输线和第二微带传输线，所述第一微带传输线和第二微带传输线分别为微带馈电结构的输入端和输出端，所述第一微带传输线和第二微带传输线相对于谐振器圆心成中心对称，且与金属圆环的外边缘相连接。

进一步地，所述开口的切向宽度与齿状金属条带之间的凹槽的最外围宽度相等。

本发明的核心创新点在于在金属圆环上增加开口结构，与没有开口的周期齿状闭合环谐振器相比，该开口引入了新的边界条件，使原有的谐振模式可以分裂成新的模式，从而使带通滤波器的通带数量增多。并且，通过改变开口在圆环上的位置，可以抑制和保留某些模式，也就是抑制不需要的通带，保留需要的通带，使可调灵活性更高。

本发明中开口的位置可以根据所需带通滤波特性进行调整，只需将开口与特定的一个凹槽的槽口对齐。通过改变金属环的开口位置，可以激励或抑制特定的谐振模式，实现不同的驻波谐振效果和带通滤波特性。

本发明在金属圆环上增加开口结构，形成开环人工局域表面等离激元结构。沿环状结构顺时针和逆时针传播的电磁波到达开放金属端口处将会反射，引入了新的边界条件，即在开放的两个金属端口处的电场z分量应为最大。该条件将抑制部分不满足该条件的模式的产生，同时产生传统闭合环不具备的新模式。不同的开口位置，也就对应着不同的模式组合，使滤波器具有不同的通带组合。

本发明中带金属地的周期性齿状开口谐振器在电场极化方向垂直于结构表面的电磁波的激励下，将会产生多极子谐振模式。截止频率由结构本身的色散曲线决定，每一个模式对应的谐振频率由结构色散特性和圆环周长决定。因此，本发明中使用微带线馈电，可以使滤波器产生多个通带，且谐振具有高品质因数。

本发明涉及的可重构滤波器谐振Q值高，谐振频率可直接通过改变齿状金属条带的长度调整，结构紧凑，易于集成。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、馈电网络简单且易于集成。本发明滤波器采用微带线直接馈电，弱化馈电网络复杂度，结构简单易于集成。

2、结构紧凑，电尺寸更小。本发明滤波器是基于一种开环人工局域表面等离激元谐振器，具有亚波长特性，谐振器为周期性内聚形单边齿状谐振器，与传统的向外放射形单边齿状谐振器、双边齿状谐振器相比，内聚形单边齿状谐振器在保持局域表面等离激元特性的同时，电尺寸更小，结构更紧凑。

3、谐振模式增多，滤波器的可用频带增加。与不开口的单边齿状谐振器相比，开口引入了新的边界条件，可激发新的模式，使带通滤波器的通带数量增多。

4、调节频率方式简单。所使用的谐振器是内聚形单边齿状结构，可以在不增加整体尺寸的情况下，将金属条带在圆环内缩短或延长，使整体频带蓝移或红移。

5、模式调节方式简单，可调范围大。只需改变开口在圆环上的位置，利用驻波谐振相位条件以及金属开放端口需满足的边界条件，就可以抑制和保留某些模式，即抑制不需要的通带，保留需要的通带，从而提升了滤波器的使用效果。

附图说明

图1是本发明滤波器结构的三维视图；

图2是本发明滤波器结构的俯视图；

图3是本发明中人工局域表面等离激元谐振器的单元结构色散曲线图；

图4是实施例1中本发明滤波器的结构示意图；

图5是实施例2中本发明滤波器的结构示意图；

图6是实施例3中本发明滤波器的结构示意图；

图7是传统不开环谐振器构成的滤波器的结构示意图；

图8是传统不开环谐振器构成的滤波器的散射参数仿真结果图；

图9是传统不开环谐振器构成的滤波器在各谐振频点的近场仿真图；

图10是实施例1中本发明滤波器的散射参数仿真结果图；

图11是实施例1中本发明滤波器的在各谐振频点的近场仿真图；

图12是实施例2中本发明滤波器的散射参数仿真结果图；

图13是实施例2中本发明滤波器的在各谐振频点的近场仿真图；

图14是实施例3中本发明滤波器的散射参数仿真结果图；

图15是实施例3中本发明滤波器的在各谐振频点的近场仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，包括三层结构，其中顶层为金属化结构包括谐振器和微带馈电结构，中间层为介质基板1，底层为金属地7，其中介质基板1的相对介电常数设为2.45，厚度设为0.5mm，微带馈电结构对称分布在谐振器两端，谐振器由金属圆环4和周期性齿状阵列5构成，周期性齿状阵列5由36个大小相同的齿状金属条5等间隔均匀排布，这里的间隔均匀排布具体为周期性齿状阵列5中齿状金属条带的间隔宽度沿圆周切向保持不变，沿径向均匀减小，并且向内逐渐延伸，36个齿状金属条带末端聚拢靠近在谐振器中心形成一个半径r为3mm的内圆凹槽，金属圆环4上开设有一个开口6，开口6设置在金属圆环4上位于齿状金属条带的相互间隔区域部分上且开口6的切向宽度与齿状金属条带之间的凹槽的最外围宽度相等，这样具备开口6的金属圆环4和周期性齿状阵列5构成人工局域表面等离激元谐振器，齿状金属条5一端宽度d为1.2mm，与金属圆环4相连，另一端指向金属圆环4的圆心，金属圆环4的外半径R为14mm，宽度为1mm；微带馈电结构具有第一微带传输线2和第二微带传输线3，第一微带传输线2和第二微带传输线3分别为微带馈电结构的输入端和输出端，第一微带传输线2和第二微带传输线3相对于谐振器圆心成中心对称，且与金属圆环4的外边缘相连接，其中为使输入输出端口的阻抗与标准阻抗50Ω匹配，将第一微带传输线2和第二微带传输线3的宽度均设为1.4mm，金属地7厚度设为0.018mm。本发明中谐振器的单元结构色散曲线如图3所示，可以看出单元结构的截止频率约为5GHz。

本发明中谐振器能够激励起的驻波谐振模式决定了滤波器能够产生的通带，而驻波谐振模式由边界条件和馈电端口位置共同决定，下面通过公式推导进一步阐述本发明的工作条件和原理。

假设开口与谐振器中心的连线偏离竖直轴线的角度为θ(θ>0)，取逆时针方向为正。由于结构的对称性，使θ从0°变化到90°即可包含所有情况。当本发明中开口与谐振器中心的连线偏离竖直轴线的角度为θ时，谐振器可以支持的所有可能的驻波谐振模式用L＝m/2×λ_m(m＝1,2,3,…)表示，其中L为金属圆环4的外周长，m代表阶数，λ_m代表m阶谐振时的波长。设金属圆环上相对于开口偏转角度φ处的电场z分量的幅值为E_z，相位为

其中φ为变量且φ>0。根据边界条件，两个开放金属端口处的E_z为最大，则有函数关系

对于第m阶谐振模式，相对于开口偏转角度φ处的相位

为

则

馈电端口处的场分布也是限制部分模式产生的条件之一，微带线输入端和输出端处不能为电场驻波波节，即此处E_z≠0。当开口偏离竖直轴线的角度为θ时微带输入端口相对于该开口的偏转角度为90°-θ。因此，令φ＝90°-θ，代入上方推导的公式，可得微带线输入端口处的E_z

只有满足

的m值所代表的m阶谐振模式才能被激励，反之将被抑制。

根据上述滤波器进行如下实施例：

实施例1：

如图7给出了传统的闭环谐振器构成的带通滤波器结构，对于传统的闭环谐振器而言，同样的激励条件下，将产生逆时针和顺时针电磁波相互干涉形成的驻波，周长L与波长λ_m的关系L＝m/2×λ_m(m＝1,2,3,…)对应着第m阶谐振模式，根据单元结构的色散曲线图3可以计算出各谐振频率点处的波长λ_m以及满足条件的m值。对传统的闭环谐振器构成的带通滤波器结构同样进行仿真实验，如图8所示为其散射参数仿真结果图，从图8可以看出其主要模式出现在1.35GHz(m＝2)，2.55GHz(m＝4)，3.54GHz(m＝6)，4.25GHz(m＝8)，4.72GHz(m＝10)处。图9给出了这些谐振频点处的电场z分量近场仿真图，分别为(a)偶极子，(b)四极子，(c)六极子，(d)八极子，(e)十极子等。

本实施例将金属圆环4上的开口6设置在如图4所示的位置，此时开口6中心恰好在内圆凹槽的中竖直轴线上，谐振时开口6处两个金属开放端处的电场z分量应为最大。使用商业软件CST进行电磁仿真，图10给出了仿真的散射参数，从图10中可见，主要模式出现在0.625GHz(m＝1)，1.975GHz(m＝3)，2.55GHz(m＝4)，3.025GHz(m＝5)，3.9GHz(m＝7)，4.25GHz(m＝8)，4.475GHz(m＝9)处。

通过图10和图8对比可知，可以发现，原先的偶极子模式、六极子模式、十极子模式消失，并各自分裂成了两个新的模式，而四极子模式、八极子模式仍然保持。偶极子模式、六极子模式、十极子模式消失是因为这些模式不满足两个金属开放端处电场z分量最大的边界条件及微带输入输出端口场分布条件，而保持的四极子模式、八极子模式和分裂出的新模式都能满足该条件，图11给出的各个频点处的E_z近场图也充分验证了这一点。

实施例2：

如图7给出了传统的闭环谐振器构成的带通滤波器结构，对于传统的闭环谐振器而言，同样的激励条件下，将产生逆时针和顺时针电磁波相互干涉形成的驻波，周长L与波长λ_m的关系L＝m/2×λ_m(m＝1,2,3,…)对应着第m阶谐振模式，根据单元结构的色散曲线图3可以计算出各谐振频率点处的波长λ_m以及满足条件的m值。对传统的闭环谐振器构成的带通滤波器结构同样进行仿真实验，如图8所示为其散射参数仿真结果图，从图8可以看出其主要模式出现在1.35GHz(m＝2)，2.55GHz(m＝4)，3.54GHz(m＝6)，4.25GHz(m＝8)，4.72GHz(m＝10)处。图9给出了这些谐振频点处的电场z分量近场仿真图，分别为(a)偶极子，(b)四极子，(c)六极子，(d)八极子，(e)十极子等。

本实施例将金属圆环4上的开口6设置在如图5所示的位置，与谐振器中心的连线偏离图5中竖直轴线约40°，谐振时开口6处两个金属开放端处的电场z分量应为最大。使用商业软件CST进行电磁仿真，图10给出了仿真的散射参数，图12给出了仿真的散射参数，从图12中可见，主要模式出现在1.35GHz(m＝2)，3.55GHz(m＝6)，4.25GHz(m＝8)处，图13给出了各个频点处仿真的近场图。

通过对比可知，2.55GHz处的四极子模式几乎完全消失了，这正是因为四极子模式不能与当前开放金属端口的边界条件及微带输入输出端口场分布条件兼容。

实施例3：

如图7给出了传统的闭环谐振器构成的带通滤波器结构，对于传统的闭环谐振器而言，同样的激励条件下，将产生逆时针和顺时针电磁波相互干涉形成的驻波，周长L与波长λ_m的关系L＝m/2×λ_m(m＝1,2,3,…)对应着第m阶谐振模式，根据单元结构的色散曲线图3可以计算出各谐振频率点处的波长λ_m以及满足条件的m值。对传统的闭环谐振器构成的带通滤波器结构同样进行仿真实验，如图8所示为其散射参数仿真结果图，从图8可以看出其主要模式出现在1.35GHz(m＝2)，2.55GHz(m＝4)，3.54GHz(m＝6)，4.25GHz(m＝8)，4.72GHz(m＝10)处。图9给出了这些谐振频点处的电场z分量近场仿真图，分别为(a)偶极子，(b)四极子，(c)六极子，(d)八极子，(e)十极子等。

本实施例将金属圆环4上的开口6设置在如图6所示的位置，与谐振器中心的连线偏离图6中竖直轴线约80°，谐振时开口6处两个金属开放端处的电场z分量应为最大。使用商业软件CST进行电磁仿真，得到如图14所示的仿真的散射参数示意图，从图14可知，主要模式出现在1.35GHz(m＝2)，2.55GHz(m＝4)，3.55GHz(m＝6)，3.9GHz(m＝7)，4.25GHz(m＝8)，4.475GHz(m＝9)，4.75GHz(m＝10)处，图15给出了各个频点处仿真的近场图。因开口接近微带馈电端，原先的偶极子模式，四极子模式，六极子模式，八极子模式，十极子模式都能满足开口处E_z最大的边界条件，所以仍然存在。4.475GHz处的第9阶模式也可以满足该条件，因而能被激发。

在工艺上实施例1～实施例3的具备开口6的基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器均可通过普通的印刷电路板(PCB)工艺及其它类似工艺实现。

Claims (3)

1.一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，包括三层结构，其中顶层包括谐振器和微带馈电结构，中间层为介质层，底层为金属地，所述微带馈电结构对称分布在谐振器两端，所述谐振器由末端连接在金属圆环上的周期性齿状阵列形成，所述周期性齿状阵列由若干齿状金属条带组成，其特征在于：所述金属圆环上开设有一个开口，所述开口设置在金属圆环上位于齿状金属条带的相互间隔区域部分上，所述开口通过其开口方向的改变用以改变原有的驻波谐振模式；

所述微带馈电结构具有第一微带传输线和第二微带传输线，所述第一微带传输线和第二微带传输线分别为微带馈电结构的输入端和输出端，所述第一微带传输线和第二微带传输线相对于谐振器圆心成中心对称，且与金属圆环的外边缘相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，其特征在于：所述周期性齿状阵列中齿状金属条带的间隔宽度沿圆周切向保持不变，沿径向均匀减小，并且向内逐渐延伸，齿状金属条带末端聚拢靠近在谐振器中心形成一个内圆凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种基于开环人工局域表面等离激元的可重构滤波器，其特征在于：所述开口的切向宽度与齿状金属条带之间的凹槽的最外围宽度相等。

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