基于人工表面等离激元的带阻滤波器及其阻带引入方法

摘要

本发明公开一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器。该结构工作在微波频段，仅在介质上层附有金属结构。该带阻滤波器由传统的共面波导馈电，通过共面波导与人工表面等离激元波导之间的过渡结构实现两种波导之间的阻抗匹配和波数匹配。本发明利用两个双边褶皱带线人工表面等离激元波导的单元结构，组成新的单元结构，每两个新单元结构中间间隔一定距离周期排列，组成新的人工表面等离激元传输线。这种传输线在传统双边带褶皱带线传输线中间引入了电容结构，可以在人工表面等离激元的传输频带内引入一个阻带，从而实现带阻滤波器的功能。

说明书

技术领域

本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于人工 表面等离激元的带阻滤波器。`

背景技术

人工表面等离激元是为了在微波段和太赫兹波段实现表面等离激元而提出的一种表面波， 因为表面等离激元原本只存在光波段，当频率降低到微波和太赫兹波段，金属将不再支持这 种表面等离激元。因此人们提出了很多方法实现人工表面等离激元，比如利用金属表面层上 的一维或者二维的亚波长周期结构就可以模拟光波段的表面等离激元现象。其中，很多有价 值的工作都是利用亚波长的褶皱结构实现的。人工表面等离激元传输线的丰富，也进一步推 动了从传统传输线到人工表面等离激元波导过渡结构的发展。过渡结构的简单化，也使得人 们对于人工表面等离激元的研究越来越深入。

随着人工表面等离激元的一系列理论和概念的完善，基于人工表面等离激元的功能器件 也逐渐走入大家的视线。此前，已经有了很多基于人工表面等离激元的分波器、天线等结构 被提出。作为重要功能器件的滤波器也已经有了很多种方式可以实现，比如利用电谐振超材 料单元引入表面阻抗的失配，进而在人工表面等离激元的传输中引入阻带；还有利用传统人 工表面等离激元波导的低通特性结合介质集成波导的高通特性来实现具有带通特性的滤波器， 然而这两种方法都需要借助另外的结构来实现滤波特性。此外，还有一种利用人工表面等离 激元传输线的自身结构实现滤波特性的方式。该方法在传统的双边带褶皱带线人工表面等离 激元传输线中断开一段，由耦合的单边褶皱带线进行连接，单边褶皱带线和双边褶皱带线的 耦合部分可以看作是在传输线中引入了并联电容，从而实现了带通的效果。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器，该结构利用 传统的共面波导传输线进行馈电，通过槽深渐变的双边褶皱带线和开口的金属地结构实现了 从共面波导传输线到表面等离激元波导的高效转换，将传统双边褶皱带线传输线的两个单元 结构看做一个新的单元结构，并将新的单元结构间隔一定距离周期排列，形成一种新的人工 表面等离激元传输线。新单元结构之间空隙的电容效应即可以在人工表面等离激元的传输频 带中引入一个阻带，实现带阻滤波器的性能。从而实现人工表面等离激元在部分频率范围内 截止，在其他频率范围内正常传输的功能。相比于已有的基于人工表面等离激元的滤波器结 构，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，无需外加结构等优点，在未来微波和太赫兹 波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

技术方案：一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器，包括介质基底及附在所述介质基 底上层的金属结构，所述金属结构包括设置于中心部位的引入了电容结构的表面等离激元传 输线部分、两个轴向对称设置于所述引入了电容结构的表面等离激元传输线部分两侧的共面 波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分、两个轴向对称设置于所述过渡部分外侧的共面 波导传输线馈电部分；

所述共面波导传输线馈电部分包括中心导体带线和径向分布于中心导体两侧的金属地结 构；

所述过渡部分由设置于中心部位的槽深渐变的双边褶皱带线和径向分布于槽深渐变的双 边褶皱带线两侧的开口的金属地结构成；所述金属开口地结构由共面波导传输线馈电部分的 金属地结构延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的双边褶皱带线由 中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐 加深，相邻凹槽深度差为0.28mm；

所述引入了电容结构的表面等离激元传输线部分由若干个独立单元结构间隔0.8-1.2mm 周期平移而成，所述独立单元结构由两个传统双边褶皱带线表面等离激元波导的单元结构组 成，所有单元结构的凹槽深度相等。

进一步的，每两个独立单元结构间隔1mm。

进一步的，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深，相邻凹槽深度差为0.28mm。

进一步的，引入了电容结构的表面等离激元波导传输线人工表面等离激元波导是平面的。

进一步的，所述双边褶皱带线的凹槽为矩形。

进一步的，所述独立单元结构中，双边褶皱带线的凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间 距为5mm。

本发明还提供一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器实现的阻带引入方法，利用若干 个独立单元结构之间的缝隙，在人工表面等离激元传输线中间引入了电容结构，使得原有的 表面阻抗产生失配，进而在人工表面等离激元的传输频带内引入阻带。

有益效果：本发明的一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器，采用传统的共面波导传 输线进行馈电，在传统的人工表面等离激元传输线中间引入电容结构，使得表面阻抗产生失 配，进而在人工表面等离激元的传输频带内引入阻带。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配 到50欧姆，便于实现最大功率传输。

所述的基于人工表面等离激元的带阻滤波器从传统共面波导传输线到表面等离激元波导 的过渡采用了槽深渐变的双边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数 匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。

所述的基于人工表面等离激元的带阻滤波器，以两个传统的双边褶皱带线传输线的单元 结构组成新的单元结构，新单元结构间隔一定距离周期排列，新单元结构之间的空隙会引起 人工表面等离激元波导表面阻抗的失配，从而造成人工表面等离激元传输截止；但也是由于 新单元结构之间的空隙，使得人工表面等离激元在截止以后可以通过电容的耦合效应继续传 输。

相比于已有的基于人工表面等离激元的滤波器，本发明具有设计简单，易于加工，体积 小，无需外加结构等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着 重要的前景。

附图说明

图1给出了基于人工表面等离激元的带阻滤波器的示意图。

图2给出了传统双边褶皱带线单元结构的色散曲线以及新单元结构的色散曲线；

图3给出了本发明提出的人工表面等离激元传输线的电路模型；

图4(a)给出了所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器的仿真和测试的散射参数中频 率与反射系数图；

图4(b)给出了所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器的仿真和测试的散射参数中频 率与传输系数图；

图5给出了所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器的近场测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器，采用传统共面波导传输线馈电方式， 利用传输线中引入的电容效应实现带阻滤波器的特性。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配 到50欧姆，便于实现最大功率传输；所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器从传统共面波 导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的双边褶皱带线结构和开口的金属地结 构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。所述的基于人工 表面等离激元的带阻滤波器利用两个传统的双边褶皱带线传输线的单元结构组成新的结构， 新的单元结构间隔一定距离周期排列，新单元结构之间的空隙会引起人工表面等离激元波导 表面阻抗的失配，从而造成人工表面等离激元传输截止；同时也是由于新单元结构之间的空 隙，使得人工表面等离激元在截止以后可以通过电容的耦合效应继续传输。下面结合附图对 本发明作进一步说明。

图1给出了所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器的示意图，包括介质基底及附在所 述介质基底上层的金属结构，所述金属结构包括设置于中心部位的引入了电容结构的表面等 离激元传输线部分3、两个轴向对称设置于所述引入了电容结构的表面等离激元传输线部分3 两侧的共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分2、两个轴向对称设置于所述过渡部 分2外侧的共面波导传输线馈电部分1；所述共面波导传输线馈电部分1包括中心导体带线 1a和径向分布于中心导体两侧的金属地结构1b；所述过渡部分2由设置于中心部位的槽深渐 变的双边褶皱带线2a和径向分布于槽深渐变的双边褶皱带线2a两侧的开口的金属地结构2b 组成；所述金属开口地结构由共面波导传输线馈电部分的金属地结构1b延伸而出，相对的两 条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的双边褶皱带线2a由中心导体带线1a延伸而出， 均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深，相邻凹槽深度差为 0.28mm；所述引入了电容结构的表面等离激元传输线部分3由若干个独立单元结构间隔 0.8-1.2mm周期平移而成，所述独立单元结构由两个传统双边褶皱带线表面等离激元波导的 单元结构组成，所有单元结构的凹槽深度相等。整个结构均在介质基板的同一层，新单元结 构独立单元结构的细节图也在图中单独画出，该实施例中，新单元结构之间的间隔为1mm。 其中，1为共面波导，对所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器进行馈电；2为共面波导到 人工表面等离激元波导的过渡部分，采用槽深渐变的双边带褶皱带线2a和开口的金属地结构 2b实现波数和阻抗的匹配；3为所述新单元结构间隔一定距离周期排列构成的传输线，新单 元结构之间的间隔在人工表面等离激元传输线中引入了电容结构，引起传输过程中部分频率 范围的截止。其中：所述双边褶皱带线的凹槽为矩形。所述独立单元结构中，双边褶皱带线 的凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

图2给出了传统双边褶皱带线传输线的单元结构的色散曲线和新的单元结构的色散曲线。 在仿真新单元结构的色散曲线时，新单元结构之间的间隙也需要考虑在内。可以看出新单元 结构的截止频率(9GHz)小于传统的双边褶皱带线传输线单元结构的截止频率(11GHz)。意 味着在9GHz处人工表面等离激元的传输会有一个截止，但是能量的传输并不会停在9GHz， 由于新单元结构之间间隙的电容效应，能量可以通过耦合继续传播。这就解释了散射参数中 阻带后面又一个通带的出现。

图3给出了本发明提出的传输线的电路模型。每个新的单元结构可以看作为一个网络， 整个传输线则可以看作是多个相同的网络级联而成，级联过程中又有电容结构的加入。取其 中两个网络进行分析，根据微波网络的相关知识，引入了电容结构的人工表面等离激元传输 线的传输矩阵可以写成如下形式：

$\begin{array}{c}\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \left(k_{s}P\right)& {\mathrm{jZ}}_0\sin \left(k_{s}P\right)\\ j\sin \left(k_{s}P\right)/Z_0& \cos \left(k_{s}P\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{1}{j\omega C}\\ 0& 1\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cc}\cos \left(k_{s}P\right)& \cos \left(k_{s}P\right)/j\omega C+{\mathrm{jZ}}_0\sin \left(k_{s}P\right)\\ j\sin \left(k_{s}P\right)/Z_0& \sin \left(k_{s}P\right)/{\mathrm{\omega CZ}}_0+\cos \left(k_{s}P\right)\end{array}\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中：k_s是人工表面等离激元波导的波数，P是新单元结构的周期长度，Z₀表示每个新单 元结构的阻抗。最终根据传输矩阵与散射矩阵之间的关系，可以得出传输系数为：

$\begin{array}{c}{S}_{21}=\frac{2}{2\cos \left(k_{s}P\right)+\sin \left(k_{s}P\right)-j\cos \left(k_{s}P\right)/{\mathrm{\omega CZ}}_0+2j\sin \left(k_{s}P\right)}\\ =\frac{2}{2e^{{\mathrm{jk}}_{s}P}\_{\mathrm{je}}^{{\mathrm{jk}}_{s}P}/{\mathrm{\omega CZ}}_0}\end{array}---\left(2\right)$

根据传输系数的方程，结合图2给出的色散曲线图，就可以得出人工表面等离激元的传 输状态。因此通过公式计算也可以预计人工表面等离激元在传输频带内存在一个阻带，阻带 两边的通带是由于传统双边褶皱带线单元结构和新单元结构的存在引起的。

图4给出了所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器的仿真和实验的散射参数。可以看 出，仿真和实验的结果吻合的比较好。但是实验的损耗明显大于仿真的损耗，这是由于在仿 真时没有考虑介质损耗和金属损耗。实验和仿真在第二个通带的部分频偏主要是由于加工误 差和机械误差导致的。通过实验结果可以看到在通带内，本发明的结构的反射系数均在-10dB 以下，传输损耗在3dB左右；而在阻带内，反射系数高达-2dB，传输系数小于-30dB。这些数 据都表明了本发明的一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器性能的良好。

图5给出了所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器的近场测试图。三幅图的测试频率 点分别为6GHz、9GHz以及10GHz，分别代表了第一个通带、阻带和第二个通带。由于实验仪 器的限制，实验仅仅测试了人工表面等离激元波导部分的近场，共面波导以及共面波导和人 工表面等离激元波导之间的过渡部分并没有在测试范围内。由图可以明显的看到，在通带内， 能量的传播情况很稳定；然而在阻带内，能量则无法传播。

综上所述，本发明提供了一种基于人工表面等离激元的带阻滤波器，利用人工表面等离 激元单元结构之间的缝隙引起表面阻抗的失配，从而实现阻带特性。并具有设计简单，易于 加工，体积小，无需外加结构等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信 系统中有着重要的前景。

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。