CN114335938B - 基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器。本发明金属条带M2两端对称设置有金属微带M1、隔离电容；金属条带M2一侧通过可变电容器与人工表面等离激元单元结构的一端相连接，人工表面等离激元单元结构另一端通过可变电容器及金属化通孔与介质基板背面的金属接地面相连接；金属条带M2另一侧、人工表面等离激元单元结构另一端通过电感与可变电容器的偏置电路馈线相连接。本发明通过改变可变电容器偏置电压，不改变其结构尺寸，实时调控带通滤波器工作频段及带宽。利用高阶模的特性，提高空间利用率，具有小型化、低串扰、高效特性。结构本身对介质基板的形变不敏感，能被附在非平面介质基板表面，便于制造共形器件。

Description

基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器

技术领域

本发明属于人工电磁材料领域，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，为无过渡单元的传输结构，通过改变电容偏置电压实现频率可调的带通滤波器。

背景技术

表面等离激元(surface plasmon polaritons)是一种产生于金属和介质分界面的特殊的电磁响应。在自然状态下，其一般存在于近红外、光波段等高频段下，表现为一种在金属和介质分界面上沿着金属表面传播的表面波形式。该表面波的电场沿分界面法向方向呈指数衰减，具有很强的近场束缚性。基于这种在亚波长尺寸范围内对光信号高效束缚性，表面等离激元被广泛应用于突破衍射极限及构建高集成度光学元件和电路。利用具有特定结构的超材料(Metamaterials)人工表面单元可以成功的将这种特殊的表面波模式引入较低频段。人工表面等离激元高效激励的实现，大大促进了人工表面等离激元在工程应用中的发展。包括高效传输线、多波段及宽带滤波器、功分器、天线、定向传输、慢波局域束缚、功率放大器、混频器等一系列基于人工表面等离激元的有源、无源器件相继被提出。此外，一些单元结构在基模和高阶模之间会产生一个阻带。如本文涉及的光栅状金属单元便是一种能够在微波频段有效实现高阶模激励并传输的模型。

对于传统的波纹金属单元结构，主要是应用其基模，其高阶模的激励比较困难。基模的截止频率主要取决于枝节长度h，随着h的增加，基模截止频率明显降低。除此以外基模的激励还需要数个枝节长度梯度变化的单元结构作为过渡。在高阶模的应用中，首先高阶模的激励比较困难，其次高阶模的初始频率和截止频率往往都会同时受到结构参数改变的影响，无法实现对单个频率的独立控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，具体为一种尺寸更紧凑、实现频率动态可调的人工表面等离激元带通滤波器。在常用周期开槽型人工表面等离激元结构的金属内壁两侧附加一组寄生凹槽单元，并在周期结构金属臂内部蚀刻出与单元外轮廓结构相同空腔，实现小型化带通滤波特性。在该开槽结构上下两侧焊接可变电容器，通过改变两组电容的偏置电压可以实现上、下截止频率的动态调节，从而实现人工表面等离激元小型化可调带通滤波器的设计。

本发明包括介质基板、位于介质基板表面的微带馈线、人工表面等离激元周期单元结构、两组可变电容器、偏置电路馈线及位于介质基板背面的金属接地面；

所述微带馈线包括金属条带M2及在金属条带M2两端对称分布的特性阻抗为50Ω的金属微带M1和隔离电容；金属条带M2一侧通过一组可变电容器CAP1与人工表面等离激元单元结构相连接，另一侧通过电感与可变电容器CAP1的偏置电路馈线相连接。

所述人工表面等离激元单元结构由边缘周期附着寄生凹槽结构的金属臂组成，金属臂内部蚀刻有与其外轮廓相同的空腔。若干人工表面等离激元单元结构沿微带馈线传输方向周期性排布。人工表面等离激元单元结构另一端通过另一组可变电容器CAP2及金属化通孔与介质基板背面的金属接地面相连接，同时通过电感与可变电容器CAP2的偏置电路馈线相连接。

进一步的，所述的微带馈线两端各有一个隔离电容，用于保护级联器件，避免器件中所加载的偏置信号对其他级联器件造成损坏。

进一步的，所述的周期人工表面等离激元单元金属臂两侧对称附着两组寄生凹槽结构，为周期单元提供了高效的低频传输截止特性，从而实现带通滤波特性。

所述的人工表面等离激元单元金属臂内部蚀刻出与单元外轮廓结构相同的空腔，降低了周期单元的上、下截止频率，从而进一步改善器件的小型化设计。

进一步的，所述的人工表面等离激元单元结构能够直接高效激励人工表面等离激元模式，无需周期渐变过渡匹配结构，大大减小了器件总体设计尺寸。

进一步的，利用人工表面等离激元的高阶模，具有更强的近场束缚能力，可以有效抑制器件间串扰，提高系统电磁兼容性能与系统稳定性。

进一步的，保持可变电容器CAP2偏置电压不变，改变可变电容器CAP1偏置电压，可动态调控带通滤波器工作带宽，且下截止频率保持不变。

进一步的，保持可变电容器CAP1偏置电压不变，改变可变电容器CAP2偏置电压，可动态调控通滤波器工作频段，且工作带宽保持不变。

作为优选，沿微带馈线传输方向周期性排列了六个人工表面等离激元单元结构，单元内两侧各排布7个寄生凹槽结构。

作为优选，人工表面等离激元单元与可变电容器CAP2偏置电路连接点位于结构边缘位置。

本发明提出的基于人工表面等离激元带通滤波器具有上、下截止频率动态可调的特性。通过改变可变电容器偏置电压，可在不改变其结构尺寸的前提下，实时调控带通滤波器工作频段及带宽。具有小型化、低串扰、高效特性。所设计单元结构利用高阶模的特性，取消了传统激励人工表面等离激元所需要的多周期过渡结构，大大提高了空间利用率。具有便于加工制作、成本低等特点。结构本身对介质基板的形变不敏感，可以被附在球面、锥形等非平面介质基板表面，便于制造共形器件。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为本发明的背面结构示意图；

图3是保持可变电容器CAP2容值不变，改变可变电容器CAP1容值时单元结构色散特性对比图；

图4是保持可变电容器CAP1容值不变，改变可变电容器CAP2容值时单元结构色散特性对比图；

图5是保持可变电容器CAP2容值不变，改变可变电容器CAP1容值时S参数对比图；

图6是保持可变电容器CAP1容值不变，改变可变电容器CAP2容值时S参数对比图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于人工表面等离激元的小型化可调带通滤波器，包括介质基板、位于介质基板正面的微带馈线、人工表面等离激元周期单元结构、两组可变电容器、偏置电路馈线及位于介质基板背面的金属接地面；

微带馈线包括金属条带M2(较金属条带M1较细)及对称分布于其两端的金属条带M1、隔离电容C1和C2。金属条带M2一侧分别通过可变电容器D1-D6(CAP1)与人工表面等离激元单元S1-S6的一端相连接，另一侧通过电感L7与偏置电路馈线M4相连接。人工表面等离激元单元S1-S6单元两侧附着有7组对称的寄生凹槽结构，单元内部蚀刻有同轮廓形状的空腔。人工表面等离激元单元S1-S6另一端通过可变电容器D7-D12(CAP2)及如图2所示的金属化通孔V1-V6与金属接地面G1相连接。同时分别通过电感L1-L6与偏置电路馈线M3相连接。金属接地面G1位于介质基板背面，介质基板背面为带有金属通孔的金属面。

金属条带M1线宽1.52mm，与金属接地面G1构成特性阻抗为50Ω的微带线。金属条带M2线宽0.55mm，长40.5mm。人工表面等离激元单元S1-S6沿传播方向分布于金属条带M2同一侧，排布周期为6.75mm。单元结构S1-S6高15mm，宽5mm，单元内左右两侧均匀附着有7个寄生凹槽，寄生凹槽结构深2mm，宽1mm。单元结构内部蚀刻有同轮廓空腔，蚀刻后单元金属臂宽度为0.2mm。整个小型化可调带通滤波器长50.5mm，宽40mm，介质基板相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。

信号经由金属条带M1馈入，激励起人工表面等离激元的高阶模，利用高阶模的特性实现带通滤波器的效果。通过改变偏置电路馈线M3和M4所加载的偏置电压，调节单元结构中可变电容器C1-C12的容值，实现对上、下截止频率的调控。

工作过程：信号经微带馈线耦合至人工表面等离激元周期单元。基于人工表面等离激元高度的近场束缚特性，微带馈线中两组宽度不同的金属条带之间的传输反射被大大减弱。单元中的周期寄生凹槽结构提供了高效的低频截止特性，并大幅度降低了该单元的高频传输截止频率，实现了小型化高效带通滤波特性。结构内部蚀刻的同轮廓空腔实现了更低的上、下截止频率，进一步提升了器件的小型化性能。通过改变可变电容器CAP1及CAP2的偏置电压，得到CAP1和CAP2的不同工作容值，可以分别调整带通滤波的工作频率和带宽，从而实现了小型化带通滤波器的动态可调。

所述人工表面等离激元单元高阶模色散特性如图3和图4所示。图3中，保持可变电容器D7-D12容值为0.5pF不变。带有圆形、十字、米字标注的实线分别表示可变电容器D1-D6为0.5pF时的前三阶模色散特性；带有圆点、叉形、方形标注的实线分别表示可变电容器D1-D6为1.2pF时的前三阶模色散特性；带有菱形、三角、倒三角标注的实线分别表示可变电容器D1-D6为3.9pF时的前三阶模色散特性。从图中看出本发明提出的单元结构的色散曲线都和光轴相交，在该交点频率以下频段内该模式无法传播。本发明中优选实例的单元结构色散曲线和光轴相交于2.54GHz，上截止频率分别为4.47GHz，4.04GHz，3.74GHz。因此可以通过在保持可变电容器D7-D12容值不变的前提下改变可变电容器D1-D6来实现对带通滤波器上截止频率的控制。

类似的，图4对比了在保持可变电容器D1-D6容值不变的前提下改变可变电容器D7-D12容值对色散曲线的影响。保持可变电容器D1-D6容值为3.9pF。带有圆形、十字、米字标注的实线分别表示可变电容器D7-D12为0.5pF时的前三阶模色散特性；带有圆点、叉形、方形标注的实线分别表示可变电容器D7-D12为1.2pF时的前三阶模色散特性；带有菱形、三角、倒三角标注的实线分别表示可变电容器D7-D12为3.9pF时的前三阶模色散特性。由图中可以看出上、下截止频率都发生变化，当D7-D12容值为0.5pF时为2.53GHz-3.74GHz，带宽为1.21GHz；当D7-D12容值为1.2pF时为2.18GHz-3.37GHz，带宽为1.19GHz；当D7-D12容值为3.9pF时为1.76GHz-3.02GHz，带宽为1.26GHz。工作频段发生变化，带宽基本保持不变。

图5对比了当可变电容器D7-D12为0.5pF时可变电容器D1-D6分别为0.5pF(实线)，1.2pF(虚线)，3.9pF(点划线)时的S参数。从图中可以看出当可变电容器D1-D6容值改变时，下截止频率保持不变，上截止频率逐渐降低。

图6对比了当可变电容器D1-D6为3.9pF时可变电容器D7-D12分别为0.5pF(实线)，1.2pF(虚线)，3.9pF(点划线)时的S参数。从图中可以看出当可变电容器D7-D12容值改变时，上、下限截止频率均随着容值的减小而增大。但是带宽基本保持不变。

综上，先通过调整可变电容器D1-D6的容值确定下截止频率，再通过调整可变电容器D7-D12的容值确定带宽，可实现带通滤波器的动态可调。

总之，本发明的人工表面等离激元小型化可调带通滤波器由在传统周期单元内附加寄生凹槽及蚀刻空腔实现了高效带通滤波特性，激励高阶模实现了小型化特性，引入可变电容器，实现了工作频段及带宽动态可控特性。

本发明利用人工表面等离激元的高阶模，具有更强的近场束缚能力，可以有效抑制器件间串扰，提高系统电磁兼容性能与系统稳定性。

本发明所提出的人工表面等离激元结构无需周期渐变匹配馈电结构，大大减小了器件总体尺寸，提升了人工表面等离激元器件的集成度与应用前景。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种人工表面等离激元小型化可调带通滤波器，其特征在于：包括介质基板、位于介质基板正面的微带馈线、人工表面等离激元周期单元结构、两组可变电容器、偏置电路馈线及位于介质基板背面的金属接地面；

所述微带馈线包括金属条带M2及在金属条带M2两端对称分布的特性阻抗为50Ω的金属微带M1和隔离电容，即微带馈线两端各有一个隔离电容和金属微带M1；金属条带M2一侧通过一组可变电容器CAP1与人工表面等离激元单元结构一端相连接，另一侧通过电感与可变电容器CAP1的偏置电路馈线相连接；

所述人工表面等离激元单元结构由两侧对称附着两组寄生凹槽结构的金属臂组成，金属臂内部蚀刻有与其外轮廓结构相同的空腔；若干人工表面等离激元单元结构沿微带馈线传输方向周期性排布；人工表面等离激元单元结构另一端通过另一组可变电容器CAP2及金属化通孔与介质基板背面的金属接地面相连接，同时通过电感与可变电容器CAP2的偏置电路馈线相连接。

2.如权利要求1所述的人工表面等离激元小型化可调带通滤波器，其特征在于：所述的人工表面等离激元单元结构能够直接高效激励人工表面等离激元模式。

3.如权利要求1所述的人工表面等离激元小型化可调带通滤波器，其特征在于：利用所述人工表面等离激元的高阶模，具有更强的近场束缚能力，有效抑制器件间串扰。

4.如权利要求1所述的人工表面等离激元小型化可调带通滤波器，其特征在于：保持所述的可变电容器CAP2偏置电压不变，改变可变电容器CAP1偏置电压，可动态调控带通滤波器工作带宽，且下截止频率保持不变。

5.如权利要求1所述的人工表面等离激元小型化可调带通滤波器，其特征在于：保持所述的可变电容器CAP1偏置电压不变，改变可变电容器CAP2偏置电压，可动态调控通滤波器工作频段，且工作带宽保持不变。

6.如权利要求3所述的人工表面等离激元小型化可调带通滤波器，其特征在于：沿所述微带馈线传输方向周期性排列了六个人工表面等离激元单元结构，单元内两侧各排布7个寄生凹槽结构。

7.如权利要求1所述的人工表面等离激元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单元与可变电容器CAP2偏置电路连接点位于结构边缘位置。

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