CN114284657B - 一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，该超紧凑低通滤波结构为轴对称结构，其包括介质基板，介质基板上表面中间设有紧凑型人工表面等离激元传输结构，紧凑型人工表面等离激元传输结构两端依次连接第一过渡匹配结构和金属微带线；介质基板下表面中间设有人工表面等离激元传输结构，人工表面等离激元传输结构两端依次连接第二过渡匹配结构、扩口金属地和金属地；紧凑型人工表面等离激元传输结构和人工表面等离激元传输结构形成双层人工表面等离激元传输结构。本发明通过双层单元耦合、弯折线和交指线技术实现了低通滤波结构的小型化，该超紧凑低通滤波结构在微波和太赫兹频段的小型化集成电路中具有广阔的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及新型人工电磁超构材料技术，尤其涉及一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构。
背景技术
表面等离激元在光波频段因其强表面波束缚和场局域特性得到广泛的关注和深入研究，并有效地应用于减小光电器件中。但在微波或太赫兹频率下，金属可以近似认为完美导体，因而表面等离激元不能被激发。为了在低频获得类似表面等离激元的表面波特性，研究者做了大量的研究如：三维结构周期性过孔、平面结构周期性刻蚀凹槽等，获得了类似光波频段表面等离激元的表面电磁波，被称为人工表面等离激元。
目前，在微波电路和无线通信中已做出了许多基于人工表面等离激元的工作，如多频带滤波器、漏波天线、滤波天线以及带通或低通滤波器等。然而，现阶段的工作仍然存在一定的局限性，如：大多数基于人工表面等离激元的器件由于是单层沟槽结构难以集成；传统结构采用的匹配结构在传输方向上尺寸较大。现代通信系统的快速发展，集成电路在相同体积内实现器件的小型化和高性能传输是必然趋势。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构。此双层人工表面等离激元传输结构相比传统结构在慢波效应方面有巨大优势，对于小型化器件的实现提供了新的方法。
技术方案：本发明的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，超紧凑低通滤波结构为轴对称结构，其包括介质基板，介质基板上表面中间设有紧凑型人工表面等离激元传输结构，紧凑型人工表面等离激元传输结构两端对称依次连接第一过渡匹配结构和金属微带线；介质基板下表面中间设有人工表面等离激元传输结构，人工表面等离激元传输结构两端对称依次连接第二过渡匹配结构、扩口金属地和金属地；紧凑型人工表面等离激元传输结构和人工表面等离激元传输结构形成双层人工表面等离激元传输结构。与传统技术中单层结构相比，该双层人工表面等离激元传输结构截止频率显著降低，具有小型化的尺寸，在相同频率下传播常数更小且场约束能力显著增强。
优选的，紧凑型人工表面等离激元传输结构包括若干周期排列的紧凑型人工表面等离激元传输单元，紧凑型人工表面等离激元传输单元包括纵向两端的弯折线结构和中间的交指线结构。弯折线结构有效扩展电流路径，交指线结构使得双层结构等效电感和等效电容增大。
优选的，第一过渡匹配结构包括若干周期排列的尺寸渐变的过渡匹配单元，过渡匹配单元包括纵向两端的弯折线结构和中间的交指线结构，且过渡匹配单元的弯折线结构高度尺寸和交指线结构长度尺寸由两端的金属微带线向中间的紧凑型人工表面等离激元传输结构逐渐变大，尺寸最大的过渡匹配单元的高度小于紧凑型人工表面等离激元传输单元的高度。
优选的，人工表面等离激元传输结构包括若干周期排列的人工表面等离激元传输单元，人工表面等离激元传输单元为轴向对称的矩形凹槽。
优选的，第二过渡匹配结构包括若干周期排列的尺寸渐变的过渡匹配凹槽单元，过渡匹配凹槽单元为轴向对称的矩形凹槽，且尺寸渐变的过渡匹配凹槽单元的凹槽高度由两端的扩口金属地向中间的人工表面等离激元传输结构逐渐变大。
优选的，扩口金属地由高宝曲线构成，用于金属地和第二过渡匹配结构的梯度阻抗匹配。
优选的，紧凑型人工表面等离激元传输结构和人工表面等离激元传输结构上下对应并且尺寸相同，且紧凑型人工表面等离激元传输结构的紧凑型人工表面等离激元传输单元和人工表面等离激元传输结构的人工表面等离激元传输单元上下对应，尺寸相同；
第一过渡匹配结构和第二过渡匹配结构上下对应且尺寸相同，形成双层渐变过渡匹配结构。
优选的，金属微带线支持准TEM波传输，双层人工表面等离激元传输结构支持人工表面等离激元波传输，通过双层渐变过渡匹配结构连接金属微带线与双层人工表面等离激元传输结构，实现准TEM波与人工表面等离激元波的匹配转换实现高效传输，双层渐变过渡匹配结构包括第一过渡匹配结构和第二过渡匹配结构。
优选的，介质基板上表面和下表面的金属层图案，采用双层印刷电路板技术加工刻蚀于厚度为0.75mm的F4B介质基板上，其中介质基板材料相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。
优选的，介质基板为柔性板材。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构的优点有：(1)采用双层传输结构易于现代电路集成；(2)在相同单元尺寸下，本发明采用的交指线结构和弯折线结构大大延长了电流路径和增大耦合电容，渐进频率有效降低且场约束力显著增强；(3)上下两层渐变过渡匹配结构使得准-TEM与人工表面等离激元波有效的阻抗匹配和动量匹配，通带内传输效率显著增强且有较宽的带外抑制；(4)本发明采用双层PCB板工艺可以实现，设计和加工简单，可用于设计微波器件电路且容易集成；(5)本发明的结构超紧凑，可用于小型化集成电路设计；(6)本发明也可采用柔性板材加工，易共形。
附图说明
图1为本发明超紧凑低通滤波结构的正面示意图和反面示意图；
图2为本发明双层人工表面等离激元传输结构的金属单元结构示意图；
图3为对比光线、本发明四对过渡匹配结构和本发明双层人工表面等离激元单元结构的色散曲线图；
图4为本发明超紧凑低通滤波结构有过渡匹配结构和无过渡结构时S参数示意图；
图5为本发明超紧凑低通滤波结构在较宽频带下的反射系数与传输系数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，整体结构示意图如图1所示，整个结构沿横轴和纵轴均对称。该超紧凑低通滤波结构包括介质基板1，附着于介质基板1上表面的第一金属层2，以及附着于介质基板1下表面的第二金属层3。第一金属层2中间为紧凑型人工表面等离激元传输结构21，紧凑型人工表面等离激元传输结构21两端对称依次连接第一过渡匹配结构22和金属微带线23。第二金属层3中间为人工表面等离激元传输结构31，人工表面等离激元传输结构31两端对称依次连接第二过渡匹配结构32、扩口金属地33和金属地34。超紧凑低通滤波结构两端的端口I和端口II可由通常的SMA接头连接进行馈电。
紧凑型人工表面等离激元传输结构21包括若干周期排列的紧凑型人工表面等离激元传输单元，紧凑型人工表面等离激元传输单元包括纵向两端的弯折线结构和中间的交指线结构；弯折线结构有效扩展电流路径，交指线结构使得双层人工表面等离激元传输结构等效电感和等效电容增大。第一过渡匹配结构22包括若干周期排列的尺寸渐变的过渡匹配单元，过渡匹配单元包括纵向两端的弯折线结构和中间的交指线结构，且过渡匹配单元的弯折线结构高度尺寸和交指线结构长度尺寸由两端的金属微带线23向中间的紧凑型人工表面等离激元传输结构21逐渐变大，尺寸最大的过渡匹配单元的弯折线结构高度小于紧凑型人工表面等离激元传输单元的弯折线结构高度，尺寸最大的过渡匹配单元的交指线结构长度等于紧凑型人工表面等离激元传输单元的交指线长度。
人工表面等离激元传输结构31包括若干周期排列的人工表面等离激元传输单元，人工表面等离激元传输单元为轴向对称的矩形凹槽。第二过渡匹配结构32包括若干周期排列的尺寸渐变的过渡匹配凹槽单元，过渡匹配凹槽单元为轴向对称的矩形凹槽，且尺寸渐变的过渡匹配凹槽单元的凹槽高度由两端的扩口金属地33向中间的人工表面等离激元传输结构31逐渐变大。扩口金属地33由高宝曲线构成，用于金属地34和第二过渡匹配结构32的梯度阻抗匹配。
紧凑型人工表面等离激元传输结构21和人工表面等离激元传输结构31上下对应并且大小相同，形成双层人工表面等离激元传输结构；其中，紧凑型人工表面等离激元传输单元和人工表面等离激元传输结构31的人工表面等离激元传输单元上下对应，尺寸相同，矩形凹槽高度与紧凑型人工表面等离激元传输单元的弯折线结构高度相同；第一过渡匹配结构22和第二过渡匹配结构32尺寸相同，且上下对应，形成双层渐变过渡匹配结构。
金属微带线23支持准TEM波传输，双层人工表面等离激元传输结构支持人工表面等离激元波传输，通过渐变双层过渡匹配结构连接金属微带线23与双层人工表面等离激元传输结构，实现准TEM波与人工表面等离激元波的匹配转换，进而实现高效传输。
下面介绍一下本发明结构的基本工作原理：采用通用的SMA接头连接端口I进行馈电，接头的轴心连接金属微带线23，接头的接地引脚连接金属地34；金属微带线23传输的为准-TEM波，通过双层渐变过渡匹配结构的转换，准-TEM波转换为人工表面等离激元波，双层人工表面等离激元传输结构支持人工表面等离激元波传输，双层人工表面等离激元传输结构因其固有的截止频率特性，馈电信号通过双层人工表面等离激元传输结构的传输，信号传输到接收端口II实现低通滤波；双层人工表面等离激元传输结构采用了弯折线、交指线结构的技术，使得其截止频率显著降低，具有小型化的尺寸，在相同频率下传播常数更小且场约束能力显著增强；采用的双层渐变过渡匹配结构使得准-TEM波与人工表面等离激元波达到波矢匹配平滑转换进而实现高效传输。
本实施例中，第一金属层2和第二金属层3均采用厚度为0.018mm的金属铜箔，采用双层印刷电路板技术分别加工集成刻蚀于厚度为0.75mm的F4B介质基板的上表面和下表面，其中介质基板材料相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。
本实施例中的介质基板还可以采用柔性板材加工，易共形。
本实施例中，第一过渡匹配结构22包括依次相连的第一过渡匹配单元221、第二过渡匹配单元222、第三过渡匹配单元223和第四过渡匹配单元224，其中，第一过渡匹配单元221与金属微带线23连接，第四过渡匹配单元224与紧凑型人工表面等离激元传输结构21连接；第一至第四过渡匹配单元的交指线结构的长度依次增大，且第四过渡匹配单元的交指线结构长度与紧凑型人工表面等离激元传输单元的交指线结构长度相同；第一至第四过渡匹配单元的弯折线结构的高度依次增大，且第四过渡匹配单元的弯折线结构的高度小于紧凑型人工表面等离激元传输单元的弯折线结构的高度。
金属微带线23包括第一金属微带线231和第二金属微带线232，其中，第一金属微带线231与金属地34上下对应，第二金属微带线232与扩口金属地33上下对应。
本实施例中，第二过渡匹配结构32包括依次相连的第一过渡匹配凹槽单元321、第二过渡匹配凹槽单元322、第三过渡匹配凹槽单元323和第四过渡匹配凹槽单元324，其中，第一过渡匹配凹槽单元321与扩口金属地33连接，第四过渡匹配凹槽单元324与人工表面等离激元传输结构31连接；第一至第四过渡匹配凹槽单元的凹槽高度依次增大，且第四过渡匹配凹槽单元的凹槽高度小于人工表面等离激元传输结构31的矩形凹槽的高度。
如图2所示，双层人工表面等离激元传输结构的金属单元结构包括上层的紧凑型人工表面等离激元传输单元、中间介质基板1和下层的人工表面等离激元传输单元，上层的紧凑型人工表面等离激元传输单元和下层的人工表面等离激元传输单元整体大小相同，其中周期长度为P、弯折线宽度为wg、弯折线长度为a、弯折线间距为wg、交指线宽度为s、交指线长度为d、交指线间距s，弯折线总高度与下层的人工表面等离激元传输单元矩形凹槽高度均为h，中间为厚度为t的介质基板1。图2单元结构沿x方向周期排列构成紧凑型双层表面等离激元传输结构。图2结构中弯折线将有效延长电流路径，交指线结构使得双层结构等效电感和等效电容显著增大，因此本发明结构在相同的频率下，具有更小的传播常数和更强的场约束力，从而实现超紧凑小型化设计。
在本发明的一个可选实例中，如图3为对比光线、本发明四对过渡匹配结构和本发明双层人工表面等离激元单元结构的色散曲线图。其中，双层人工表面等离激元单元结构对应色散曲线为k5，第四过渡匹配单元224和第四过渡匹配凹槽单元324对应色散曲线为k4，第三过渡匹配单元223和第三过渡匹配凹槽单元323对应色散曲线为k3，第二过渡匹配单元222和第二过渡匹配凹槽单元322对应色散曲线为k2，第一过渡匹配单元221和第一过渡匹配凹槽单元321对应色散曲线为k1。可以看到四对过渡匹配结构色散曲线均偏离光线，逐渐接近本发明的双层人工表面等离激元结构的色散曲线渐进频率，表明从微带线支持的准-TEM波到双层人工表面等离激元传输线支持的人工表面等离激元波形成了良好的波矢匹配。
在本发明的一个可选实例中，为了表明本发明结构在加载匹配结构后具有高传输效率，如图4为本发明超紧凑低通滤波结构有过渡匹配结构和无过渡结构时S参数示意图。可以看出：当匹配结构不存在时，具有较大的反射损耗，并且频率升高传输效率降低；当有双层匹配结构时，由于阻抗和波矢匹配(如图3)，传输效率大大改善。
在本发明的一个可选实例中，为了表现本发明结构在宽频带传输特性以及带外抑制特性，图5为本发明超紧凑低通滤波结构在较宽频带下的反射系数与传输系数，可以看出本发明低通滤波结构在通带外有较宽的带外抑制特性。综上，本发明低通滤波结构不仅可以在通带内实现高效传输，在阻带中也实现了较好的带外抑制。
以上实施例与描述为本发明较佳的实施方式，本发明不受上述实施例的限制，其他的任何不脱离本发明的精神实质与原理下进行的改进均在本发明范围内。
综上，本发明的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，双层人工表面等离激元传输结构的上层包括交指线结构和弯折线结构，下层为两边开矩形凹槽结构；上层和下层相对应并且大小相同，下层矩形凹槽高度与上层对应弯折线结构总高度相同；弯折线结构有效扩展电流路径，交指线结构使得双层结构等效电感和等效电容增大。金属微带线结构支持准-TEM模式，紧凑型人工表面等离激元传输结构支持表面等离激元模式，在金属微带线结构与紧凑型人工表面等离激元传输结构之间由过渡匹配结构连接；介质基板上表面层过渡结构与下表面地层过渡结构相对应；上表面过渡结构包含四个交指线和弯折线不同的渐变结构，下表面层过渡结构包含用于梯度阻抗匹配的扩口地结构和四个与上层相对应的凹槽高度渐变的矩形凹槽过渡结构。本发明的超紧凑低通滤波结构是一种紧凑型人工表面等离激元慢波传输结构，属于微波传输技术领域，与传统技术中单层光栅结构相比本发明中紧凑型双层人工表面等离激元结构截止频率显著降低，具有小型化的尺寸，在相同频率下传播常数更小且场约束能力显著增强，可应用于通信、微波和太赫兹波段的小型化集成电路等。
Claims (9)
1.一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，超紧凑低通滤波结构为轴对称结构，其包括介质基板(1)，介质基板(1)上表面中间设有紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)，紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)两端对称依次连接第一过渡匹配结构(22)和金属微带线(23)；介质基板(1)下表面中间设有人工表面等离激元传输结构(31)，人工表面等离激元传输结构(31)两端对称依次连接第二过渡匹配结构(32)、扩口金属地(33)和金属地(34)；紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)和人工表面等离激元传输结构(31)形成双层人工表面等离激元传输结构；紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)包括若干周期排列的紧凑型人工表面等离激元传输单元，紧凑型人工表面等离激元传输单元包括纵向两端的弯折线结构和中间的交指线结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，第一过渡匹配结构(22)包括若干周期排列的尺寸渐变的过渡匹配单元，过渡匹配单元包括纵向两端的弯折线结构和中间的交指线结构，且过渡匹配单元的弯折线结构高度尺寸和交指线结构长度尺寸由两端的金属微带线(23)向中间的紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)逐渐变大，尺寸最大的过渡匹配单元的高度小于紧凑型人工表面等离激元传输单元的高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，人工表面等离激元传输结构(31)包括若干周期排列的人工表面等离激元传输单元，人工表面等离激元传输单元为轴向对称的矩形凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，第二过渡匹配结构(32)包括若干周期排列的尺寸渐变的过渡匹配凹槽单元，过渡匹配凹槽单元为轴向对称的矩形凹槽，且尺寸渐变的过渡匹配凹槽单元的凹槽高度由两端的扩口金属地(33)向中间的人工表面等离激元传输结构(31)逐渐变大。
5.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，扩口金属地(33)由高宝曲线构成，用于金属地(34)和第二过渡匹配结构(32)的梯度阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)和人工表面等离激元传输结构(31)上下对应并且尺寸相同，且紧凑型人工表面等离激元传输结构(21)的紧凑型人工表面等离激元传输单元和人工表面等离激元传输结构(31)的人工表面等离激元传输单元上下对应，尺寸相同；
第一过渡匹配结构(22)和第二过渡匹配结构(32)上下对应且尺寸相同，形成双层渐变过渡匹配结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，金属微带线(23)支持准TEM波传输，双层人工表面等离激元传输结构支持人工表面等离激元波传输，通过双层渐变过渡匹配结构连接金属微带线(23)与双层人工表面等离激元传输结构，实现准TEM波与人工表面等离激元波的匹配转换实现高效传输，双层渐变过渡匹配结构包括第一过渡匹配结构(22)和第二过渡匹配结构(32)。
8.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，第一金属层(2)和第二金属层(3)均采用厚度为0.018mm的金属铜箔，并采用双层印刷电路板技术分别加工刻蚀于厚度为0.75mm的F4B介质基板上表面和下表面，其中介质基板材料相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。
9.根据权利要求1所述的一种基于双层人工表面等离激元的超紧凑低通滤波结构，其特征在于，介质基板(1)为柔性板材。
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