一种基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器

摘要

本发明公开了一种基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器，涉及一种带通滤波器。本发明有一介质基板，在介质基板的正面设置有包括断开两次的周期性直金属光栅、两个相同的单边褶皱带线、共面波导和耦合结构；断开两次的周期性直金属光栅两端依次连接耦合结构和共面波导；断开两次的周期性直金属光栅为人工表面等离激元传输器，人工表面等离激元传输器表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；单边褶皱带线的表面具有周期排列的凹槽；单边褶皱带线上凹槽的尺寸与人工表面等离激元传输器表面的凹槽尺寸相同；两个相同单边褶皱带线与断开两次的直金属光栅凹槽开口相对放置；实现高效宽带带通的目的，结构简单，易于制作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，特别是一种基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器。

背景技术

表面等离激元是指在金属和电介质界面处电磁波与金属中的自由电子耦合产生的集体共振效应，其表现为一种沿着导体和介质分界面传播的表面波。只有在金属的表面等离子体频率附近的频率范围内，才能够有效激发表面等离激元，并把电磁场强局域在金属和介质分界面亚波长尺度的区域内。由于金属的等离子体频率一般都处于紫外波段，对于表面等离激元也主要局限于近红外和光波段。金属在低频段的介电常数非常大，电磁波的趋肤深度非常小，金属近似于理想导体，使得电磁表面波在金属表面的场约束非常弱。人工结构化金属表面能够使电磁波束缚在其表面，构成与表面等离激元模式相类似的表面波，称为人工表面等离激元。通过改变金属表面的结构参数来调控人工表面等离激元的频率，使其延伸到太赫兹和微波段，实现对太赫兹波和微波的强束缚，为在低频段（金属表面上实现亚波长波的传输和局域开辟了一条有效途径。

基于这种周期性光栅导波结构，我们提出了基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器的设计。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于人工表面等离激元的高

效宽带带通滤波器，实现高效宽带带通的目的。

本发明是以如下技术方案实现的：一种基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器，包括介质基板，在介质基板的正面设置有包括断开两次的周期性直金属光栅、两个相同的单边褶皱带线、共面波导和耦合结构；所述断开两次的周期性直金属光栅两端依次连接耦合结构和共面波导；所述断开两次的周期性直金属光栅为人工表面等离激元传输器，人工表面等离激元传输器表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；单边褶皱带线的表面具有周期排列的凹槽；单边褶皱带线上凹槽的尺寸与人工表面等离激元传输器表面的凹槽尺寸相同；两个相同单边褶皱带线与断开两次的直金属光栅凹槽开口相对放置；两个相同的单边褶皱带线与断开两次的周期性金属光栅组合，构成高效宽带带通结构；所述的共面波导为导波传输结构，设置在介质基板的两端；所述耦合结构为耦合器。

本发明的有益效果是：（1）采取周期性金属光栅与单边褶皱带线结合，便可实现在微波段的宽带带通滤波；

（2）结构简单，制作方便，周期性金属光栅结构具有对电磁场的强束缚，从而使得电磁波沿平面、弯曲、螺旋等不规则表面的传输；

（3）周期性金属光栅与单边褶皱带结合的结构具有较小尺寸和柔性，能够被运用到具有紧凑的尺寸和特殊功能的微波集成电路中；

（4）金属光栅的宽度、金属光栅的凹槽深度、金属光栅的周期作为基本参数，改变基本参数，即可改变微波的色散曲线，设计满足工作频段的金属光栅结构，可运用到微波、毫米波及太赫兹频段；

（5）相比传统的滤波器结构更加紧凑，而且结构简单，具有柔性，更易于与集成到微波集成电路中。

附图说明

图1是本发明基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器的结构示意图；

图2是单个凹槽的结构示意图；

图3是单边褶皱带和周期性金属光栅的位置关系示意图；

图4是本发明的高效宽带带通滤波器的仿真曲线；

图5是本发明的高效宽带带通滤波器的场图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器有一介质基板5，在介质基板5的正面设置有包括断开两次的周期性直金属光栅1、两个相同的单边褶皱带线2、共面波导3和耦合结构4；所述断开两次的周期性直金属光栅1两端依次连接耦合结构4和共面波导3。

断开两次的周期性直金属光栅1为人工表面等离激元传输器，人工表面等离激元传输器表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；单边褶皱带线2的表面具有周期排列的凹槽；直金属光栅结构可以弯折、折叠、缠绕、扭曲或者包裹在平滑或不平滑表面上来控制共形表面等离激元的传输。

单边褶皱带线是一种印制在介质基板同一平面上的金属结构，单元结构的长度、高度尺寸小于工作波长，厚度远远小于工作波长，可以将表面波传输束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸范围中，实现能量的高效传输。单边褶皱带线2上凹槽的尺寸与人工表面等离激元传输器表面的凹槽尺寸相同；两个相同单边褶皱带线2与断开两次的直金属光栅凹槽开口相对放置；两个相同的单边褶皱带线2与断开两次的周期性金属光栅1组合，构成高效宽带带通结构。

断开两次的周期性直金属光栅1和两个相同的单边褶皱带线2印制在介质基板5的正面。

共面波导3为导波传输结构，设置在介质基板5的两端；耦合结构4为耦合器，用于导波和人工表面等离激元传输器之间相互转换。

共面波导3、耦合结构4和断开两次的周期性直金属光栅1构组成传输线。通过控制断开两次的周期性直金属光栅1的表面凹槽深度、宽度和周期性来改变金属表面的色散曲线，设计满足工作频段的金属光栅结构。

本实施开中，人工表面等离激元传输器采用长方形金属薄膜，凹槽垂直于长方形金属薄膜的长度方向，所述凹槽位于长方形金属薄膜的同侧，支持人工表面等离激元的高效传输。介质基板5为f4b(聚四氟乙烯)，介电常数2.65，损耗正切0.001，板子厚度0.5mm。断开两次的周期性直金属光栅1和两个相同的单边褶皱带线2印制在介质基板5的正面。

如图2所示，长方形金属薄膜的厚度为5mm、凹槽深度4mm、凹槽宽度2mm、凹槽的周期5mm，断开的间隙为7mm；通过增大凹槽深度，可以降低传输线传输表面波的截止频率。

如图3所示单边褶皱带线2长度为53mm，单边褶皱带线2的开口底边与长方形金属薄膜凹槽底边的间隙为1.8mm。

如图1所示，耦合结构4由槽深渐变的周期性金属光栅42以及对称设置在周期性金属光栅42两侧的弧线形状的金属导体41组成；弧线形状的金属导体41的弧度方向朝向周期性金属光栅42，槽深渐变的周期性金属光栅42两侧的弧线形状的金属导体41结构相同。

如图4给出了基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器的反向传输系数S21。横坐标代表频率分量，单位为GHz，左边纵坐标代表幅度变量，单位为dB。从图4可以看出，本发明的高效宽带带通滤波器，在6.8GHz到10GHz频率范围内S21均大于-2dB，在此频率范围外基本小于-10dB，表明在此频率范围外，表面等离子体无法传播，实现了高效带通的功能。

如图5，图中给出了基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器的场图。（a）给出了频率为6GHz时的场图，属于带通频段范围外，(b)给出了频率为8GHz时的场图，属于带通频段范围内，(c)给出了频率为9GHz时的场图，属于带通频段范围内，(d)给出了频率为12GHz时的场图，属于带通频段范围外。该图进一步证实了在6.8GHz到10GHz频率范围内可以通过，在6.8GHz到10GHz频率范围外不能通过，实现了高效带通滤波的性能。

本发明的一种基于人工表面等离激元的高效宽带带通滤波器具有结构新颖简单、重量轻、性能稳定、便于制作、易于和其它的平面微波毫米波电路集成等优点，因而可以很好的应用在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。