CN114156615B - 一种折叠式人工表面等离激元低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种折叠式人工表面等离激元低通滤波器，包括处于顶层的金属层、中间介质层、处于底层的金属地；金属层包括：馈电微带：有两段，分别用于输入端口、输出端口的阻抗匹配；两段馈电微带的外端分别连接一SMA头；折叠型SSPP传输线：包括过渡部、中心SSPP单元部分以及弯折部；两段馈电微带的内端分别连接一所述的过渡部，过渡段的另一端与中心SSPP单元部分相连，中心SSPP单元部分形成数段，相邻的数段间通过弯折部过渡，中心SSPP单元部分通过弯折部分成的数段相平行。本发明具有低通滤波效果，且结构简单、制作成本低、鲁棒性强。
Description
技术领域
本发明属于微波滤波器制造技术领域，特别涉及一种基于折叠式人工表面等离激元低通滤波器。
背景技术
滤波器是射频前端的重要组成部分，尤其是在目前无线通信技术的迅猛发展的时代，其在通信、军工等诸多领域发挥着越来越重要的作用。微波滤波器由于其高鲁棒性、低制造和测量成本等优点而被广泛应用。
人工表面等离激元极化(Spoof Surface Plasmon Polaritons)具有高场束缚效应、低传输损耗、低线间串扰等特点。与此同时，SSPP是天然的低通滤波器，不需要外加任何额外结构便能实现滤波。更为奇妙的是，其色散特性完全取决于其各项物理参数，这为器件的设计带来了很大的便利。因此，用SSPP设计滤波器具有多方面的优势。但由于SSPP波的波矢与光线相差较大，SSPP无法直接激发，需要由传统馈电结构如共面波导、微带等通过梯度矢量匹配结构过渡到SSPP结构，同时还需要一定数量的周期性单元，这些都使为SSPP器件的小型化带来了困难。因此，SSPP的小型化处理一直都是其研究的重点之一。目前大部分关于SSPP小型化的研究都是关于对每个单元做不同图案处理后引入额外的电容电感从而带来的电尺寸降低，而这种方法具有一定的极限。并且SSPP在横向上需要有过渡结构和一定数量的单元，其横向尺寸往往远大于纵向尺寸，因此考虑从其他角度缩小其横向尺寸。
发明内容
本发明的目的是解决现有SSPP结构滤波器存在的上述技术问题，提出了一种折叠式人工表面等离激元低通滤波器，以实现小型化、高频率选择性、低损耗、高带外抑制。本发明滤波器采用微带线进行激励，PCB工艺加工制作。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案实现：
一种折叠式人工表面等离激元低通滤波器，其包括：
处于顶层的金属层、中间介质层、处于底层的金属地；
所述的金属层包括：
馈电微带(2)：有两段，分别用于输入端口、输出端口的阻抗匹配；两段馈电微带的外端分别连接一SMA头(1)，用于连接矢网进行测量；
折叠型SSPP传输线：包括过渡部(3)、中心SSPP单元部分(4)以及弯折部(5)；两段馈电微带的内端分别连接一所述的过渡部(3)，过渡部(3)的另一端与中心SSPP单元部分(4)相连，中心SSPP单元部分(4)形成数段，相邻的数段间通过弯折部(5)过渡，中心SSPP单元部分(4)通过弯折部(5)分成的数段相平行。
优选的，所述的滤波器是一种双端口微波滤波器，该微波传感器为双端口器件。
优选的，所述馈电微带线分别用于输入、输出端口的50欧姆阻抗匹配，宽度w1＝1.5mm，可与SMA头连接，再由矢量网络分析仪进行测试。
优选的，过渡部用于微带、SSPP间的梯度矢量匹配，共有7个过渡单元以保证平滑过渡，从而实现低传输损耗。同时也在中心SSPP单元部分也设置了较多的SSPP单元，以实现陡峭的截止频率下降沿和优异的带外抑制；弯折部分采用内外不同单元数量的优化设计，以保证传输线弯折时内外单元同时保证周期性，避免SSPP传输线因单元周期性破坏而导致的额外损耗。中心SSPP单元形状为双边凹槽型，能够引起慢波效应和强场束缚效应，有利于信号的有效传输。其周期p＝4mm,线宽w2＝0.6mm,槽深h＝1.5mm。
优选的，中间介质层采用罗杰斯5800系列的方形介质板，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.009，长度68mm,宽度30mm,厚度0.508mm；采用低介电常数的介质基板有利于提升器件的高频性能。
本发明涉及了一种紧凑的折叠型双边凹槽SSPP传输线。由于SSPP的过渡结构难以避免，并且单元数量越多通带选择性越好，本发明将整条传输线折叠到原来的1/3长左右，转弯拐角处作为影响整体性能的重要部分，本发明对其进行了优化设计。虽然折叠结构会相应增加纵向尺寸，但解决了传统SSPP传输线横向尺寸远远大于纵向尺寸导致的布局困难，这对将来SSPP集成到小型电路系统中时带来许多便利。
附图说明
图1是本发明实施例微波滤波器的结构示意图。
图2是本发明实施例微波滤波器的仰视图；
图3是本发明实施例的微波滤波器的S参数仿真图；
图4是本发明实施例弯折部分优化及优化前后S参数对比图；
图5是本发明实施例单元结构色散曲线图；
图6是本发明实施例不同频率下的电场分布图；
图7是模拟本发明实施例的线间串扰仿真图；
图8是本发明实施例的不同参数下截止频率变化图。
其中，1.SMA连接头；2.馈电微带；3.过渡部；4.中心SSPP单元部分；5.弯折部。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明进行详细说明。
如图1-2所示，本实施例一种折叠式人工表面等离激元低通滤波器，其具有的特性在于紧凑、高场束缚和带外抑制，结构包括：处于顶层的金属层、中间介质层、处于底层的金属地。
中间介质层采用罗杰斯5880系列介质板，其具有低介电常数，有利于提升器件高频性能。
处于顶层的金属层包括：
50欧姆馈电微带2：用于馈电和阻抗匹配。本实施例中有两段，分别用于输入端口、输出端口的50欧姆阻抗匹配；两段馈电微带的外端分别连接一个SMA头1，用于连接矢网进行测量；
折叠型SSPP传输线：包括两段过渡部3、中心SSPP单元部分4以及两个半圆状的弯折部5；两段馈电微带2的内端分别连接一段过渡部3，过渡部3的另一端与中心SSPP单元部分4的一端相连，中心SSPP单元部分4采用双边凹槽SSPP单元，中心SSPP单元部分4形成数段，相邻的数段间通过弯折部5过渡。本实施例中，中心SSPP单元部分4通过弯折部5分成的三段相平行。
本实施例中，微带与SSPP传输线间过渡结构采用平滑梯度过渡设计(梯度过渡结构)，以实现波矢量匹配，能够将电磁波由微带的准TEM模式过渡到SSPP的TM模式，避免因失配带来的传输损耗。
SSPP传输线采用了大量的双边凹槽SSPP单元，能够带来陡峭的截止频率下降沿和优异的带外抑制。
独特弯折部分5采用内外不同单元数量的设计，在保证SSPP单元周期性的同时完成了紧凑折叠，相比未优化的弯折结构性能提升明显。
本实施例提出具有双边凹槽的紧凑折叠型SSPP低通传输线，中间介质层选用罗杰斯5880介质基板，介电常数2.2，损耗角正切0.009；厚度为0.508mm。各项参数如下(都为毫米级)：W1＝1.5，W2＝0.6,L1＝10,L2＝24，L3＝24,h＝1.5,p＝4,弯折半径
如图3所示的传输线S参数仿真图，仿真软件采用HFSS。传输线的截止频率为17.55GHz，带内传输损耗整体小于-10dB，截止频率处下降沿陡峭，且带外抑制小于-40dB，体现了其出色的通带选择性，证明了SSPP传输线具有急弯下以较低损耗传输信号的能力。
如图4所示，弯折部分5采用特别设计。对于该SSPP传输线的弯折部分，可将双边凹槽近似看作是两条单边凹槽的组合，如果在保持结构不变情况下直接弯折，外凹槽与内凹槽由于距离弯折圆心距离不同，旋转同样的角度时会在距离上产生比较大的偏差，导致无法同时保证内外周期性，会引入额外的传输损耗。因此，本发明对其结构进行优化，采用内外不同单元数量的弯折模式，使得内外凹槽周期更为接近，减少了传输损耗。
如图5所示为传输线表面不同频率下的e场分布，在11GHz下，传输线处于通带，且电场沿着传输线几乎没有衰减，通带内的电场被紧密束缚在单元结构表面；20GHz下处于阻带，电场在过渡结构处开始衰减。传输线截止频率为17.55GHz，只有低于截止频率的波能通过。
如图6所示，分析SSPP了单元色散特性。可以发现，随着频率升高，SSPP单元色散曲线逐渐偏离光线，最后到达截止频率。相同频率下具有比光线更高的波矢量，这是SSPP具有的典型慢波效应，也意味着场强的高度束缚。从色散曲线中读取到的截止频率为17.55GHz，与之间的S参数仿真结果吻合。
如图7所示，用两条间距为2r1的SSPP传输线来模拟所提出的紧凑折叠型SSPP，以便于分析其线间串扰。由于SSPP高场束缚能力，电磁波沿着传输线传播时会紧密附着在凹槽附近，可以有效减少线间串扰。在整个通带内S31小于-20dB，S41则小于-35dB，说明两条传输线间彼此隔离，耦合可以忽略不计。这个结果表明信号在沿着传输线传播时被限制在极小的范围内，带来的低串扰特性保证了所提出的结构在紧凑折叠下的良好性能。
如图8所示，所提出的SSPP传输线可以很方便地通过改变某项结构参数实现对截止频率的独立调控，这是由于SSPP单元色散特性完全取决于其结构物理参数。本发明主要分析了金属存根长度h和宽度t对传输线截止频率的影响。如图为不同h,t组合下两种所提出的传输线S21仿真结果，随着h和t的增大，截止频率均出现红移，带宽减小，两项参数均可实现对截止频率的独立调控。
表1：各SSPP型传输线尺寸性能对比
上述表1给出了本发明的器件与目前各种不同的SSPP结构传输线的尺寸性能对比，可以看出，本发明器件在横向尺寸上具有明显优势，同时带外抑制也明显优于其它现有设计。证明了本发明在保证优良性能的同时实现了小型化，这为其将来运用到高集成度电路系统中提供了更多可能。
本发明折叠结构的SSPP传输线能够在不削减单元数量的情况下减小横向尺寸，改变传统SSPP传输线结构细长带来的布局困难问题，同时保证良好的传输性能，弯曲结构作为影响整体性能的重要部分被单独优化，采用了内外不同单元数量的弯曲模式，保证了弯曲时传输线内外周期性不被破坏。除此以外，SSPP特有的强场束缚效应使得紧凑折叠下的相邻传输线之间仅有非常低的串扰。由于SSPP单元色散特性完全取决于其结构参数，因此能够很方便地通过调整其各项结构参数来对截止频率进行独立调节，以满足不同情况下地需求。所提出的传输线具有低通滤波效果，且结构简单、制作成本低、鲁棒性强。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种折叠式人工表面等离激元低通滤波器，包括处于顶层的金属层、中间介质层、处于底层的金属地；其特征是：
所述的金属层包括：
馈电微带(2)：有两段，分别用于输入端口、输出端口的阻抗匹配；两段馈电微带的外端分别连接一SMA头(1)；
折叠型SSPP传输线：包括过渡部(3)、中心SSPP单元部分(4)以及弯折部(5)；两段馈电微带的内端分别连接一所述的过渡部(3)，过渡部(3)的另一端与中心SSPP单元部分(4)相连，中心SSPP单元部分(4)形成数段，相邻的数段间通过弯折部(5)过渡，中心SSPP单元部分(4)通过弯折部(5)分成的数段相平行；所述的弯折部呈半圆状，过渡部(3)采用平滑梯度过渡设计,所述的弯折部采用内外不同单元数量的弯折模式。
2.如权利要求1所述折叠式人工表面等离激元低通滤波器，其特征是：所述两段的馈电微带分别用于输入端口、输出端口的50欧姆阻抗匹配，宽度w1＝1.5mm。
3.如权利要求1所述折叠式人工表面等离激元低通滤波器，其特征是：所述的过渡部共有7个过渡单元。
4.如权利要求1所述折叠式人工表面等离激元低通滤波器，其特征是：所述中心SSPP单元部分的形状为双边凹槽型。
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