CN111009708B - 基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器及其工作方法 - Google Patents

基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器及其工作方法，带通滤波器包括最底层的金属底板、中间层的介质基板、最上层两端对称的微带线和介质谐振器；其中介质谐振器包括长方体形介质体和两个金属条，两个金属条的长度等于长方体形介质体的长度，分别位于介质体上、下两面的中间；两条微带线作为端口分别与两个介质谐振器下面的金属条相连用来馈电。本发明带通滤波器的工作频率随介质谐振器的长度和介电常数变化，对介质谐振器横截面尺寸变化不敏感，厚度可以做到工艺极限值，平面化程度高。本发明结构简单，体积小，Q值高，有很高的选择性，又可以平面化，易于集成，为滤波器的设计及应用提供一种全新的思路和方案。

Description

基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器及其工作方法
技术领域
本发明涉及基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器及其工作方法，属于小型化带通滤波器技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，频谱资源日益拥挤，对滤波器性能的要求也越来越高。不仅要求滤波器小型紧凑，易于集成，还要求滤波器具有低插损、高带内选择性、高带外抑制性。因此，设计出小型、紧凑、高效率的滤波器是现代无线通信领域关注的焦点。在射频到微波频段，主要有波导、同轴线、微带线和介质谐振器滤波器。微带线滤波器易于与MMIC、PCB等集成电路集成，但微带谐振器的无载Q值很低，一般不超过200，由于金属趋肤深度的减小，随着频率提高，无载Q值将会更低，导致滤波器通带内损耗增加。介质谐振器有很高的Q值，插入损耗低，所构成的滤波器有很高的选择性，但介质谐振器结构一般为立体结构，不易集成。
表面等离激元有两种主要的类型，一类是传播型的表面等离激元(SurfacePlasmon Polaritons，SPPs)，指入射光子和金属表面的自由电子发生耦合产生的一种电磁波；另一类是纳米粒子表面上的局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons，LSPs)，是入射光子与金属纳米颗粒内的自由电子相互耦合形成的混合激发态。SPPs和LSPs都具有场增强的效果和电磁波的约束效应，尺度位于纳米量级，主要作用于金属(金、银等)和介质(空气)的交界面。由于金属的等离子体频率一般都在红外线到紫外线之间的波段，在低频段(微波和太赫兹波)，金属近似为理想电导体(Perfect Electrical Conductor，PEC)，电磁波在金属内部是快速衰减的，难以渗透到金属的内部，在金属表面的约束性将会变得非常差，因此很难在金属和介质的交界面激励出传播型和局域型的表面等离激元。
近十年来，学者们努力拓展表面等离激元的应用范围，把表面等离激元的优良特性推广到低频段，得到了很大的进步。基于等效表面等离激元的微波及太赫兹器件不仅可以改善传统器件的性能，而且有效扩展表面等离激元的应用频段，产生一些新的电磁特性，实现新的器件功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器及其工作方法，解决现有技术中滤波器平面化和高Q值不能同时实现的问题，同时减小滤波器体积，实现高性能滤波器平面化、小型化的目的。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器，包括位于底层的金属底板、位于中间层的介质基板、位于上层的第一微带线、第二微带线以及至少两个介质谐振器；所述金属底板与介质基板的形状均为矩形，且大小相同，金属底板的上表面与介质基板的下表面相接触；所述介质谐振器包括长方体形介质体和两个金属条，两个金属条分别设置于长方体形介质体的上、下表面的中间，金属条与长方体形介质体的长边平行，且金属条的长度等于长方体形介质体的长度，金属条的宽度小于等于长方体形介质体的宽度，长方体形介质体的下表面与介质基板的上表面相接触；介质谐振器呈线性设置于介质基板的中间，且长方体形介质体的长边与介质基板的宽边相平行；第一、第二微带线的大小相同，第一、第二微带线的下表面与介质基板的上表面相接触，第一、第二微带线均与介质基板的长边相平行，且第一、第二微带线基于介质基板的长边中心线对称，第一微带线的左端与介质基板的左端平齐，右端与最靠近介质基板左端的介质谐振器下表面的金属条相连，第二微带线的右端与介质基板的右端平齐，左端与最靠近介质基板右端的介质谐振器下表面的金属条相连。
作为本发明带通滤波器的一种优选方案，所述介质基板所用的材料为Rogers5880型号高频板。
作为本发明带通滤波器的一种优选方案，所述长方体形介质体所用的材料为陶瓷材料。
基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器的工作方法，根据如上所述基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器实现，利用第一微带线、第二微带线作为端口与介质谐振器下表面的金属条相连进行馈电，选择其中一个微带线作为带通滤波器的输入端/输出端，另一个微带线则作为带通滤波器的输出端/输入端；通过改变介质谐振器的长度和介电常数调节带通滤波器的工作频率，改变第一和第二微带线的馈电点调节端口耦合强度，改变相邻两个介质谐振器之间的距离调节介质谐振器间耦合强度。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明引入等效局域型表面等离激元技术，体积相同时，谐振频率比普通介质谐振器小很多，显著减小了带通滤波器的体积，可以通过调节介质谐振器的长度和介电常数来调节滤波器的工作频率和带宽。
2、本发明的等效局域型表面等离激元带通滤波器的工作频率对介质谐振器横截面尺寸变化不敏感，因此，只要有相关的制作工艺，厚度可以做到工艺极限值，平面化程度高。
3、本发明的等效局域型表面等离激元带通滤波器，既继承了介质谐振器滤波器高Q值的优点，有很高的选择性，又可以像微带滤波器一样平面化，易于集成。
附图说明
图1是本发明基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器的整体结构图。
图2是介质谐振器宽度w＝1mm，厚度t＝1mm时，工作频率随长度l变化曲线图。
图3是介质谐振器长度l＝10mm时，工作频率随宽度w、厚度t变化曲线图。
图4是谐振器间耦合系数随谐振器间距离s变化曲线图。
图5是外部Q值随微带线馈电点位移d变化曲线图。
图6是本发明实施例滤波器仿真的S参数。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
研究显示等效局域型表面等离激元(Effective Localized Surface PlasmonPolaritons，ELSPs)可以更有效地在低频段模拟光频段的真实LSPs。在介质体上下两面各添加一条金属线，使介质体与空气界面能支持类似于光频段金属在光波照射下产生的LSPs模式，且只有偶极子模式，从而将LSPs的优异的高度场局域化特性延续到微波和太赫兹频段。我们可以利用ELSPs的偶极子模式，设计小型化带通滤波器。
如图1所示，本发明的基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器，包括最底层的金属底板、中间层的介质基板、最上层两端对称的第一、第二微带线和至少两个介质谐振器。金属底板与介质基板的形状均为矩形，且大小相同，金属底板的上表面与介质基板的下表面相接触。介质谐振器包括长方体形介质体和两个金属条，两个金属条分别设置于长方体形介质体的上、下表面的中间，金属条与长方体形介质体的长边平行，且金属条的长度等于长方体形介质体的长度，金属条的宽度小于长方体形介质体的宽度，长方体形介质体的下表面与介质基板的上表面相接触。介质谐振器呈线性设置于介质基板的中间，且长方体形介质体的长边与介质基板的宽边相平行。第一、第二微带线的大小相同，第一、第二微带线的下表面与介质基板的上表面相接触，第一、第二微带线均与介质基板的长边相平行，且第一、第二微带线基于介质基板的长边中心线对称，第一微带线的左端与介质基板的左端平齐，右端与最靠近介质基板左端的介质谐振器下表面的金属条相连，第二微带线的右端与介质基板的右端平齐，左端与最靠近介质基板右端的介质谐振器下表面的金属条相连。两个微带线作为端口分别与两个介质谐振器下面的金属线相连用来馈电。
中间层的介质基板为Rogers 5880，介电常数εr1＝2.2，长度为a，宽度为b，厚度h＝0.254mm；最底层金属底板和最上层微带线厚度c＝0.018mm；最底层金属底板、中间层介质基板及微带线的尺寸参数保证微带线端口阻抗为50欧姆。
介质谐振器介质体采用介电常数εr2＝37的陶瓷材料，损耗角正切tanσ＝1.5×10-4，长度为l，宽度为w，厚度为t；上下两条金属线的长度为l，宽度m＝0.2mm，厚度c＝0.018mm。两个谐振器之间的距离为s，微带线馈电点位移为d。
图2为介质谐振器宽度w＝1mm，厚度t＝1mm时，工作频率随长度l变化曲线，图3为介质谐振器长度10mm时，工作频率随宽度w，厚度t变化曲线。可以看出，基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器工作频率对介质谐振器长度变化敏感，对介质谐振器宽度厚度变化不敏感。
图4为谐振器间耦合系数随谐振器间距离s变化曲线，图5为外部Q值随微带线馈电点位移d变化曲线。可以看出，谐振器间耦合系数随距离的增大而减小，微带线馈电点在谐振器中间时，外部Q值最大，馈电点在谐振器两端时，外部Q值最小。
表1
参数 a b h c l w t m s d
数值(mm) 25 14 0.254 0.018 10 1 1 0.2 1 1.4
表1为本发明实施例设计的滤波器参数值，利用电磁仿真软件CST的时域求解器得到了对应的S参数，如图6所示，工作频率在3.36GHz，相对带宽为5.4％，通带内插入损耗小于0.8dB，回波损耗超过20dB。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器，其特征在于，包括位于底层的金属底板、位于中间层的介质基板、位于上层的第一微带线、第二微带线以及至少两个介质谐振器；所述金属底板与介质基板的形状均为矩形，且大小相同，金属底板的上表面与介质基板的下表面相接触；所述介质谐振器包括长方体形介质体和两个金属条，两个金属条分别设置于长方体形介质体的上、下表面的中间，金属条与长方体形介质体的长边平行，且金属条的长度等于长方体形介质体的长度，金属条的宽度小于等于长方体形介质体的宽度，长方体形介质体的下表面的金属条的下表面与介质基板的上表面相接触；介质谐振器呈线性设置于介质基板的中间，且长方体形介质体的长边与介质基板的宽边相平行，相邻两个介质谐振器之间耦合连接；第一、第二微带线的大小相同，第一、第二微带线的下表面与介质基板的上表面相接触，第一、第二微带线均与介质基板的长边相平行，且第一、第二微带线基于介质基板的长边中心线对称，第一微带线的左端与介质基板的左端平齐，右端与最靠近介质基板左端的介质谐振器下表面的金属条相连，第二微带线的右端与介质基板的右端平齐，左端与最靠近介质基板右端的介质谐振器下表面的金属条相连。
2.根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器，其特征在于，所述介质基板所用的材料为Rogers 5880型号高频板。
3.根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器，其特征在于，所述长方体形介质体所用的材料为陶瓷材料。
4.基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器的工作方法，根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的带通滤波器实现，其特征在于，利用第一微带线、第二微带线作为端口与介质谐振器下表面的金属条相连进行馈电，选择其中一个微带线作为带通滤波器的输入端/输出端，另一个微带线则作为带通滤波器的输出端/输入端；通过改变介质谐振器的长度和介电常数调节带通滤波器的工作频率，改变第一和第二微带线的馈电点调节端口耦合强度，改变相邻两个介质谐振器之间的距离调节介质谐振器间耦合强度。
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