CN208173759U - 基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，包括第一导通块和第二导通块；第一导通块为下端面开口的空心等腰梯形块；第二导通块为两端开口的空心长方体，其一个侧面的中心设有和第一导通块下端面形状相同的通孔；通孔上周期性的设有若干和第一导通块开口处端面平行的金属条；第一导通块下端面的四边和通孔的四边无缝固连，第二导通块的一个开口端面作为导波信号的输入端、另一个开口端面作为输出端。工作时，将波导信号从TE10模式转换成等效表面等离子激元，在等离子波导内以束缚态高效快速传输后，再次转换成TE10模式输出。本实用新型尺寸小、结构简单、方便集成且应用广泛，在宽带内支持等效表面等离激元的高效传输。
Description
技术领域
本实用新型涉及导波结构技术领域，尤其涉及一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器。
背景技术
表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,简称SPPs)是金属表面自由电子和入射光子相互耦合形成的一种非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质界面传播的一种电磁波。当电磁波入射到金属与介质交界面时,在其交界面会产生表面电磁波振荡,其振幅在界面上最强,离开界面后在金属和介质内呈指数衰减。SPPs对电磁场的高度束缚特性使其可突破衍射极限，实现电磁场的亚波长约束，同时可在纳米尺度上实现电磁能量的局域汇聚放大。
为了在低频段(微波或太赫兹波段)实现类似于光波段的SPPs现象并利用其优越性能设计低频段的等离子超材料器件，2004年，Pendry等人提出一种金属人工表面和人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,简称SSPPs)的概念。在微波或太赫兹波段，金属一般被视为理想导体，光滑的金属表面是完全不能传输SPPs的，然而，在金属表面刻蚀周期性分布的孔洞后，其表面可以传播类似光波段SPPs的电磁模式，从而等效地降低了金属表层的等离子频率，首次解决了低频段SPPs无法产生的关键性难题。2016年，宾西法利亚大学的Engheta教授等人提出等效表面等离子激元(Effective Surface PlasmonPolaritons,简称ESPPs)的概念，在金属波导中，如平行板波导、矩形波导、圆波导等，能在低频段实现一种结构色散诱导的ESPPs。光波段产生的SPPs源于金属在光波段表现出负介电常数，金属和空气分界面两边介电常数实部符号相反。根据等效媒质理论，金属壁波导内填充介质的等效介电常数可以通过改变波导的端口尺寸，介质的相对介电常数和工作频率来任意调控，当波导不同填充介质等效介电常数实部表现出异号时，在介质分界面上就可以发现类似于光频段SPPs的电磁模式。ESPPs概念的提出，相较于SSPPs而言，不仅消除了金属损耗对信号传输的影响，而且免去了周期结构的设计，降低了结构设计的复杂度。
近几年，许多基于SSPPs的不同性能滤波器涌现出来，包括低通滤波器、带通、带阻滤波器等等。为了解决SSPPs滤波器的损耗和结构复杂度高的问题，我们利用ESPPs相较于SSPPs的优势，将ESPPs的优异特性应用到滤波器的设计中，用一种新颖的方式实现了微波滤波器的构建。ESPPs色散特性具有以下特点：ESPPs在渐进频率附近具有很强的场约束性和场增强性；一旦频率高于渐近频率，ESPPs便会截止。由于传统的矩形波导的传输特点就类似于一个高通滤波器，我们可以利用ESPPs的截止特性，设计一个新型的宽频带矩形波导带通滤波器。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中基于SSPPs的滤波器的损耗和结构复杂度高的问题，提供一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，模型结构简单，显著降低滤波器的损耗和结构复杂度，实现滤波器的高效宽带滤波。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，包括第一导通块和第二导通块；
所述第一导通块为下端面开口的空心等腰梯形块，包含一个矩形的上端面、两个矩形的斜面、两个等腰梯形的侧面和一个开口的下端面；
所述第二导通块为两端开口的空心长方体，包含四个侧面和两个开口端面，且第二导通块的一个侧面的中心设有和所述第一导通块下端面形状相同的通孔；
所述通孔上沿所述第二导通块的伸展方向周期性的设有若干和所述第一导通块开口处端面平行的金属条；
所述第一导通块置于所述第二导通块设有通孔的一面上，且第一导通块下端面的四边和所述通孔的四边无缝固连，所述第二导通块的一个开口端面作为导波信号的输入端、另一个开口端面作为输出端；
所述第一导通块、第二导通块、金属条均采用具有良好电导性能的金属制成。
作为本实用新型基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器进一步的优化方案，所述第一导通块、第二导通块、金属条均采用铜或铝制成。
作为本实用新型基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器进一步的优化方案，所述第二导通块两个开口端面中和第一导通块上端面、斜面之间交界线平行的边的长度a为22.86mm，第二导通块中设置通孔得侧面和其平行的侧面之间的距离b为10.16mm；
所述金属条的宽度d＝a/100，所述通孔上金属条周期性的距离p＝a/20；
所述第一导通块、第二导通块的壁厚t均为0.5mm。
本实用新型还公开了一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器的工作方法，包含以下具体过程：
宽带带通滤波器中，所述输入端和第一导通块靠近输入端的斜面之间部分形成第一矩形波导；所述第一导通块靠近输入端的斜面对应的部分形成第一过渡波导；所述第一导通块上端面对应的部分形成支持等效表面等离子激元的等离子波导；所述第一导通块远离输入端的斜面对应的部分形成第二过渡波导；所述输出端和第一导通块靠近输出端的斜面之间部分形成第二矩形波导；
进行滤波时，所述第一矩形波导首先将输入端输入的导波信号转换成TE10模式后传递给所述第一过渡波导；
所述第一过渡波导将TE10模式的导播信号转换为等效表面等离子激元后传递给所述等离子波导；
所述等效表面等离子激元在所述等离子波导上以束缚态高效快速传输至所述第二过渡波导；
所述第二过渡波导将等效表面等离子激元转换为TE10模式的导播信号传递给所述第二矩形波导；
所述第二矩形波导将TE10模式的导播信号转换为普通波导信号后由输出端输出。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本实用新型的等效表面等离子波导，可以在宽带内支持等效表面等离激元的高效传输。
2.本实用新型具有尺寸小、结构简单、方便集成以及应用广泛的特点，等离子波导通过横向宽度不同的矩形波导组合，实现TE10模式到等效表面等离子激元的转化，可以广泛的应用于基片集成波导、圆波导，椭圆波导。
3.本实用新型提出的等效表面等离子波导，通过改变第一导通块的横向宽度来调控第一导通块内空气的等效介电常数，使第一导通块和第二导通块内的空气的等效介电常数异号来激发等效表面等离激元，解决了介质损耗的问题，为微波段的导波结构设计提供了一个新的思路。
4.本实用新型的等效表面等离子波导，其支持等效表面等离激元传输带宽的截止频率取决于第一导通块的横向宽度，可以通过改变第一导通块的横向宽度来任意调控其传输带宽，基于此可以设计出二倍频、三倍频带宽的宽带带通滤波器。
附图说明
图1为本实用新型等离子波导的整体模型结构示意图；
图2(a)、图2(b)分别为本实用新型的正视图和本实用新型通孔处侧面的示意图；
图3为本实用新型中等离子波导结构单元的示意图；
图4(a)、图4(b)分别为图3中h变化、w变化对其色散特性的影响曲线图；
图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为图3中w＝3a/4时、w＝a/2时、w＝a/4时等离子波导的S参数效果图；
图6为滤波器仿真与测试的S参数。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本实用新型公开了一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，包括第一导通块和第二导通块；
所述第一导通块为下端面开口的空心等腰梯形块，包含一个矩形的上端面、两个矩形的斜面、两个等腰梯形的侧面和一个开口的下端面；
所述第二导通块为两端开口的空心长方体，包含四个侧面和两个开口端面，且第二导通块的一个侧面的中心设有和所述第一导通块下端面形状相同的通孔；
所述通孔上沿所述第二导通块的伸展方向周期性的设有若干和所述第一导通块开口处端面平行的金属条；
所述第一导通块置于所述第二导通块设有通孔的一面上，且第一导通块下端面的四边和所述通孔的四边无缝固连，所述第二导通块的一个开口端面作为导波信号的输入端、另一个开口端面作为输出端；
所述第一导通块、第二导通块、金属条均采用具有良好电导性能的金属制成。
所述第一导通块、第二导通块、金属条均采用铜或铝制成。
宽带带通滤波器中，所述输入端和第一导通块靠近输入端的斜面之间部分形成第一矩形波导；所述第一导通块靠近输入端的斜面对应的部分形成第一过渡波导；所述第一导通块上端面对应的部分形成支持等效表面等离子激元的等离子波导，等离子波导中，上层空气的等效介电常数为负，下层空气等效介电常数为正；所述第一导通块远离输入端的斜面对应的部分形成第二过渡波导；所述输出端和第一导通块靠近输出端的斜面之间部分形成第二矩形波导；
进行滤波时，所述第一矩形波导首先将输入端输入的导波信号转换成TE10模式后传递给所述第一过渡波导；
所述第一过渡波导将TE10模式的导播信号转换为等效表面等离子激元后传递给所述等离子波导；
所述等效表面等离子激元在所述等离子波导上以束缚态高效快速传输至所述第二过渡波导；
所述第二过渡波导将等效表面等离子激元转换为TE10模式的导播信号传递给所述第二矩形波导；
所述第二矩形波导将TE10模式的导播信号转换为普通波导信号后由输出端输出。
令所述第二导通块两个开口端面中和第一导通块上端面、斜面之间交界线平行的边的长度为a，第二导通块中设置通孔得侧面和其平行的侧面之间的距离为b；所述金属条的宽度为d，所述通孔上金属条周期性的距离为p；所述第一导通块上端面、斜面之间交界的边的长度为w，斜面的高度为h；所述第一导通块、第二导通块的壁厚均为t。
实施例一
本实用新型基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器包含五个部分，分别是第一矩形波导(区域I)、第一过渡波导(区域II)、等离子波导(区域III)、第二矩形波导、第二过渡波导。
第一导通块、第二导通块的壁厚均t＝0.5mm，第一矩形波导、第二矩形波导的端口尺寸为a*b＝22.86*10.16mm2，第一矩形波导、第二矩形波导的长度为l1＝a，第一过渡波导、第二过渡波导的长度为l2＝2a，等离子波导长度为l3＝4a。
如图2(a)、图2(b)、图3所示，等离子波导的结构整体由空气波导为基础，由两个横向宽度不等的矩形波导上下组成，下层的尺寸为a*b＝22.86*10.16mm2，上层的尺寸为w*h。
金属条宽度d＝a/100，通孔上金属条周期性的距离p＝a/20。
金属条的宽度和周期对等离子波导结构单元的色散特性影响并不大，因为金属条的作用仅是抑制TM模式。如图4(a)、图4(b)所示，改变不同参数对结构单元进行了色散仿真，如图4(a)所示，当h慢慢增加时，对应的色散曲线逐渐偏离TE10模式的色散曲线。图4(a)中插图为色散曲线的局部放大图，可以观察到在低频段h值不同时，波矢在相同频率下是渐变的，波矢匹配和阻抗匹配的设计方法也可由这个特性得以支撑。通过w保持不变，采用渐变式的h，由此使得矩形波导的TE10模式可以平稳的转变为等效表面等离子激元表面波模式。当h＝b时，w从a/4以a/8步长渐变到3a/4时，对应的色散曲线如图4(b)所示，随着宽度的增大，色散曲线偏离TE10模式的曲线越远，同时渐近频率不断降低，说明滤波器中传输的等效表面等离子激元被束缚得更强。因此，滤波器截止频率和上层矩形波导宽度的关系也让我们可通过调整结构的几何尺寸来调节滤波器的带宽，方便了器件的设计。
实施例二
为了分析滤波器带宽和上层波导横向宽度的关系，我们设计了三款w不同的滤波器，分别为w＝3a/4,w＝a/2,w＝a/4，并利用电磁仿真软件CST的时域求解器得到了对应的S参数，如图5(a)至图5(c)所示。其中菱形符号的曲线代表传输系数S21，圆形符号的曲线代表反射系数S11。
图5(a)为w＝3a/4时的S参数，其工作频带为6.6GHz到8.6GHz，通带内的插入损耗在-0.3dB以上，回波损耗均在-15dB以下，带外插入损耗在-25dB以下，回波损耗在-0.3dB以上，截止频率与对应的色散曲线的渐近频率吻合良好；图5(b)为w＝a/2时的S参数，其工作频带为6.6GHz到13.1GHz，达到了近二倍频的带宽，并且带内反射系数S11甚至低于-25dB，传输性能比前者更优；图5(c)为w＝a/4时的S参数，其工作频带为6.6GHz到24.4GHz，达到了近四倍频的带宽，通带的插入损耗在-0.3dB以上，通带内的回波损耗更是达到-30dB以下，具有很好的宽带滤波的效果；根据滤波器在三个不同参数下的S参数曲线可以看出，利用等效表面等离子激元设计的矩形波导带通滤波器可以实现宽频带高效滤波，同时可以通过合理控制窄波导的宽度来调控滤波器的通带带宽。
实施例三
为了验证所设计的滤波器性能，我们制作了滤波器的实物。由于加工精度的限制，我们对部分参数进行了重新设计：金属壁厚t＝2mm，p＝4mm,d＝2mm，其他参数与前文保持一致。我们对其S参数的进行了测试，滤波器两侧的法兰盘与矩形波导到SMA同轴转换器相连，两端的SMA转接头与Agilent N5230C矢量网络分析仪连接，其中左侧为馈电端，右侧为接收端。该同轴转矩形波导的接头工作频段为8.2GHz到12.4GHz。
S参数的仿真结果和测试结果如图6所示，其中带空心符号的曲线为仿真结果，带实心符号的曲线为测试结果，可以看出优化设计好的滤波器测试结果与仿真结果吻合良好。仿真结果显示在6.6GHz到12.8GHz范围内，传输系数S21均在-0.3dB以上，反射系数S11均在-20dB以下，实现了电磁波在宽带内的高效传输。由于矩形波导到SMA同轴转换器的有效工作频段具有局限性，测试结果在低频段表现出与仿真结果的轻微差异。不过在8.2GHz到12.4GHz范围内，二者的反射系数均在-15dB以下，传输系数高于-0.6dB，证明了我们设计的可行性。该带通滤波器的整体性能实现了约二倍频的通带。该设计利用了表面等离子激元的慢波特性，实现了一种宽频带的带通滤波器的设计。通过改变上侧窄波导的宽度，便于调控滤波器通带的带宽。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，其特征在于，包括第一导通块和第二导通块；
所述第一导通块为下端面开口的空心等腰梯形块，包含一个矩形的上端面、两个矩形的斜面、两个等腰梯形的侧面和一个开口的下端面；
所述第二导通块为两端开口的空心长方体，包含四个侧面和两个开口端面，且第二导通块的一个侧面的中心设有和所述第一导通块下端面形状相同的通孔；
所述通孔上沿所述第二导通块的伸展方向周期性的设有若干和所述第一导通块开口处端面平行的金属条；
所述第一导通块置于所述第二导通块设有通孔的一面上，且第一导通块下端面的四边和所述通孔的四边无缝固连，所述第二导通块的一个开口端面作为导波信号的输入端、另一个开口端面作为输出端；
所述第一导通块、第二导通块、金属条均采用具有良好电导性能的金属制成。
2.根据权利要求1所述的基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一导通块、第二导通块、金属条均采用铜或铝制成。
3.根据权利要求1所述的基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，其特征在于，所述第二导通块两个开口端面中和第一导通块上端面、斜面之间交界线平行的边的长度a为22.86mm，第二导通块中设置通孔得侧面和其平行的侧面之间的距离b为10.16mm；
所述金属条的宽度d＝a/100，所述通孔上金属条周期性的距离p＝a/20；
所述第一导通块、第二导通块的壁厚t均为0.5mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181130 Termination date: 20210322 |