一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種濾波器結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子激元是存在與金屬與介質(zhì)（通常是空氣）界面上的一種電子和光子的 混合激發(fā)態(tài)。其本質(zhì)上是一種表面電磁波，可以突破衍射極限，電磁場被約束在金屬和介 質(zhì)界面附近的亞波長范圍內(nèi)，有很強的場增強效應(yīng)。此類研究曾一度被局限于光波段或是 更高的頻率上，由于表面等離子激元的優(yōu)良特性，若將表面等離子激元的概念推廣到低頻 段（微波或太赫茲波段），有助于獲得高約束性的微波或太赫茲信號的導波技術(shù)，并將低頻 段的器件尺寸減小到亞波長量級以實現(xiàn)高度集成。隨后，低頻段（微波或太赫茲波段）人 工表面等離子激元的概念被提出，其基本思想是在金屬表面刻蝕亞波長孔洞或者溝槽的方 法，增強電磁場在金屬內(nèi)的滲透能力，實現(xiàn)場的亞波長約束，從而降低金屬的等效等離子頻 率并可通過金屬表面結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來有效控制其等離子體頻率，為低頻表面等離子激元 的發(fā)展和應(yīng)用揭開了全新的一頁。
[0003] 目前，對于如何將空間導波高效地轉(zhuǎn)換成人工表面等離子激元的研究甚少。最近， 東南大學提出了一種在微波頻段由共面波導激勵實現(xiàn)人工表面等離子激元的高效和寬頻 帶傳輸?shù)某〔▽ЫY(jié)構(gòu)。該方案提出了一種匹配過渡結(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)共面波導和人工表面 等離子波導之間的波矢和阻抗匹配，從而實現(xiàn)了導波和人工表面等離子激元之間的高效率 和寬帶段轉(zhuǎn)換，為等離子功能器件和電路在微波段的高度集成開創(chuàng)了應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對等離子波導結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)和傳統(tǒng)微 帶線高效轉(zhuǎn)化功能的缺陷，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單對稱、尺寸緊湊、易于與傳統(tǒng)微波傳輸線配 合使用的微帶線到等離子波導轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)空間導波到人工表面等離子激元的高效和 超寬帶轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上作為一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器使用，可為濾波器的 設(shè)計及應(yīng)用提供一種全新的思路和方案。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0006] -種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，由介質(zhì)基板及印制于介質(zhì)基板上下 表面的金屬箱層組成，其特征在于，金屬箱層上刻有波導結(jié)構(gòu)，波導結(jié)構(gòu)包括兩端對稱的微 帶線結(jié)構(gòu)、微帶線結(jié)構(gòu)到表面等離子基元波導結(jié)構(gòu)的過渡結(jié)構(gòu)，以及中間的表面等離子激 元波導結(jié)構(gòu)，所述過渡結(jié)構(gòu)由第一過渡結(jié)構(gòu)和第二過渡結(jié)構(gòu)連接組成。
[0007] 優(yōu)選地，第一過渡結(jié)構(gòu)在介質(zhì)基板上表面延續(xù)微帶線結(jié)構(gòu)的金屬中心導帶，在介 質(zhì)基板下表面將微帶線結(jié)構(gòu)的金屬接地板按曲線實現(xiàn)漸變并使其終端和微帶線結(jié)構(gòu)的金 屬中心導帶等寬；第二過渡結(jié)構(gòu)由對稱分布于介質(zhì)基板上、下表面的在金屬中心導帶兩側(cè) 對稱分布且長度呈階梯式增加的周期性亞波長金屬柵格陣列組成。
[0008] 本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)人工表面等離子激元波導的幾何尺寸，實現(xiàn)微波或太赫茲波 段微帶線到人工表面等離子激元波導之間的相互轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)超寬帶濾波功能，從而在 微波或太赫茲頻段給人工表面等離子激元超材料器件的設(shè)計及應(yīng)用提供一種全新的思路 和方案。
[0009] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0010] 1.本發(fā)明主要基于微帶線到人工表面等離子激元波導的高效轉(zhuǎn)換的思想提出一 種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，這種結(jié)構(gòu)通過周期性亞波長金屬柵格陣列的漸 變來完成，實現(xiàn)微帶線和人工表面等離子激元波導之間的波數(shù)和阻抗匹配，為實現(xiàn)導波到 人工表面等離子激元轉(zhuǎn)化的應(yīng)用解決了關(guān)鍵性的難題，為人工表面等離子激元超材料器件 的設(shè)計及應(yīng)用開拓了更為廣泛的前景；
[0011] 2.創(chuàng)新性強，技術(shù)前瞻性好：本發(fā)明在微波頻段實現(xiàn)了電磁波的強局域性和高效 寬頻帶傳輸，創(chuàng)新性強，國內(nèi)外未見此類濾波結(jié)構(gòu)；本發(fā)明可以很好的與傳統(tǒng)微波傳輸線配 合使用，便于集成到高級微波電路中，并可應(yīng)用于太赫茲波段，拓展了等離子激元傳輸線的 應(yīng)用范圍，具有很好的技術(shù)前瞻性；
[0012] 3.結(jié)構(gòu)簡單，易于制造：本發(fā)明包括傳統(tǒng)的微帶線、以及印制于介質(zhì)基板上下表 面的對稱的周期性亞波長金屬柵格構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可采用普通的印制電路板加工技 術(shù)實現(xiàn)，在微波器件和集成電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計中具有很大的靈活性。
[0013] 4.傳輸效率高、頻帶寬；本發(fā)明在0~IOGHz范圍內(nèi)，Sll均小于-10dB，S21均大 于-0. 6dB，實現(xiàn)了信號在人工表面等離子激元波導中的高效傳輸和超寬帶濾波功能。
【附圖說明】
[0014] 圖I (a)是本發(fā)明濾波器的正面結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖I (b)是本發(fā)明濾波器的反面結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖2是實施例二的人工表面等離子激元波導的柵格長度的變化對其色散曲線的 影響圖；
[0017] 圖3是實施例二的S參數(shù)曲線圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述：
[0019] 實施例一
[0020] 如圖1(a)、圖1(b)所示，本發(fā)明包括介質(zhì)基板層以及印制于介質(zhì)基板上下表面上 的金屬箱層。金屬箱層上刻有波導結(jié)構(gòu)，波導結(jié)構(gòu)主要由兩端對稱的微帶線部分（區(qū)域I)、 兩端對稱的微帶線結(jié)構(gòu)到表面等離子基元波導結(jié)構(gòu)的過渡部分（區(qū)域II和III)以及中間 表面等離子激元波導部分（區(qū)域IV)組成。其中，微帶線部分包括介質(zhì)基板層以及印制于 基板上下表面的金屬中心導帶和金屬接地板。金屬接地板的寬度大于金屬中心導帶寬度。 過渡部分均包含兩個過渡階段，第一過渡階段（區(qū)域II)在介質(zhì)基板上表面延續(xù)微帶線結(jié) 構(gòu)的金屬中心導帶，在介質(zhì)基板下表面將微帶線結(jié)構(gòu)的金屬接地板按曲線實現(xiàn)漸變并使其 終端和微帶線結(jié)構(gòu)的金屬中心導帶等寬。第二過渡結(jié)構(gòu)（區(qū)域III)由對稱分布于介質(zhì)基 板上、下表面的在金屬中心導帶兩側(cè)對稱分布且長度呈階梯式增加的周期性亞波長金屬柵 格陣列組成。區(qū)域IV由沿金屬中心導帶方向?qū)ΨQ分布且長度恒定的周期性亞波長金屬柵 格陣列組成，且對稱印制于介質(zhì)基板的上下表面。區(qū)域II、III、IV的幾何參數(shù)根據(jù)微帶線 (區(qū)域I)的類型和尺寸來調(diào)節(jié)，與微帶線參數(shù)（如線類型、線長度、線寬度等）相匹配。
[0021] 實施例二
[0022] 如圖I (a)、圖I (b)所示為本發(fā)明的正面、反面結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明水平總長度為165毫 米，橫向?qū)挾葁 = 30毫米。金屬箱層的厚度均為為0.018毫米，介質(zhì)基板的厚度為0.254 毫米，介電常數(shù)為2. 2。區(qū)域I部分的水平總長度為L1= 5毫米，其中，上表面金屬中心 導帶寬度g = 〇. 75毫米，下表面接地板橫向?qū)挾萀 = 24毫米；區(qū)域II (左側(cè)第一過渡階 段）水平總長度為L2= 17. 5毫米，其中上表面金屬中心導帶和微帶線部分保持一致，下表 面的接地板橫向?qū)挾瓤砂碐oubau曲線
實現(xiàn)漸變（注：曲線 的形式不唯一，但需保證第一過渡階段的順利實現(xiàn)），其中，曲線弧度α =0.2, P1 (Xl，yi) 和~(&，y2)分別為曲線的起點和終點，最終實現(xiàn)其終端和微帶線上表面的金屬中心導帶等 寬；區(qū)域ΠΙ(左側(cè)第二過渡階段）沿金屬中心導帶兩側(cè)對稱分布有7個長度逐漸增大的周 期柵格，其中柵格長度從I 1= 〇. 3毫米以恒定間隔Δ 1 = 〇. 3毫米逐漸增大到17= 2. 1毫 米，周期均為P = 5毫米，柵格的寬度a均為1毫米，區(qū)域III的水平總長度L3= 35毫米； 區(qū)域IV為人工表面等離子激元波導作為對應(yīng)頻段的信號傳輸載體，水平總長為L4= 25毫 米，兩側(cè)對稱的柵格陣列周期均為P = 5毫米、寬度a = 1毫米、長度均為2. 1毫米。
[0023] 第一過渡階段通過改變微帶線下表面接地板的橫向?qū)挾葘崿F(xiàn)微帶線和等寬的雙 線平行傳輸線之間的波數(shù)和阻抗匹配；第二過渡階段通過漸變的周期性柵格來實現(xiàn)等寬的 雙線平行傳輸線和人工表面等離子激元波導之間波數(shù)和阻抗匹配，從而起到將微帶線中的 導波信號高效寬頻帶地轉(zhuǎn)化為人工表面等離子激元的作用。其中，單元柵格結(jié)構(gòu)的長度變 化對其色散曲線的影響如圖2所示。
[0024] 根據(jù)實施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖3所示的高效性能，在0~IOGHz范 圍內(nèi)，Sll均小于-10dB，S21均大于-0. 6dB，實現(xiàn)了信號在人工表面等離子激元波導中的高 效傳輸和超寬帶濾波的功能。
【主權(quán)項】
1. 一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，由介質(zhì)基板及印制于介質(zhì)基板上下表 面的金屬箱層組成，其特征在于，金屬箱層上刻有波導結(jié)構(gòu)，波導結(jié)構(gòu)包括兩端對稱的微帶 線結(jié)構(gòu)、微帶線結(jié)構(gòu)到表面等離子基元波導結(jié)構(gòu)的過渡結(jié)構(gòu)，以及中間的表面等離子激元 波導結(jié)構(gòu)，所述過渡結(jié)構(gòu)由第一過渡結(jié)構(gòu)和第二過渡結(jié)構(gòu)連接組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，其特征在于： 第一過渡結(jié)構(gòu)在介質(zhì)基板上表面延續(xù)微帶線結(jié)構(gòu)的金屬中心導帶，在介質(zhì)基板下表面將微 帶線結(jié)構(gòu)的金屬接地板按曲線實現(xiàn)漸變并使其終端和微帶線結(jié)構(gòu)的金屬中心導帶等寬；第 二過渡結(jié)構(gòu)由對稱分布于介質(zhì)基板上、下表面的在金屬中心導帶兩側(cè)對稱分布且長度呈階 梯式增加的周期性亞波長金屬柵格陣列組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，其特征在于： 中間表面等離子激元波導結(jié)構(gòu)由對稱分布于介質(zhì)基板上、下表面的在金屬中心導帶兩側(cè)對 稱分布且長度恒定的周期性亞波長金屬柵格陣列組成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，其特征在于： 介質(zhì)基板上下表面的金屬箱層的厚度相同，長度和介質(zhì)基板相等。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，其特征在于： 過渡結(jié)構(gòu)和表面等離子激元波導結(jié)構(gòu)的金屬柵格周期及相鄰金屬柵格的間隔均相同。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，其特征在于： 任意一端的微帶線作為導波信號的輸入端/輸出端，另一端的微帶線則為輸出端/輸入端。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種超寬帶人工表面等離子激元低通濾波器，主要由介質(zhì)基板層以及印制于介質(zhì)基板兩側(cè)表面上的金屬箔層構(gòu)成。金屬箔層上刻有波導結(jié)構(gòu)，波導結(jié)構(gòu)主要由中間表面等離子激元波導部分、兩端對稱的微帶線部分以及兩個過渡部分組成。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)人工表面等離子激元波導的高效傳輸，具有結(jié)構(gòu)對稱、易加工、尺寸緊湊、超寬帶、高濾波性能，尤其適合與傳統(tǒng)微波或太赫茲傳輸線匹配使用。
【IPC分類】H01P1/203, H01P1/20
【公開號】CN105119030
【申請?zhí)枴緾N201510591849
【發(fā)明人】劉亮亮, 李茁, 寧蘋蘋, 徐佳, 許秉正, 陳晨, 顧長青, 陳新蕾
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年9月17日