基于表面等離子激元模式的帶通濾波器設(shè)計(jì)

劉海霞

（常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校軌道交通系，江蘇 常州213011）

人工表面等離子激元（artificial surface plasmon polaritons，ASPPs），其原理為光與金屬表面自由電子作用，激發(fā)出的一種電磁波模式的表面波，該電磁波頻率在可見光以及紫外光等區(qū)域[1-3]。表面等離子激元只存在于金屬和介質(zhì)分界面，并只僅沿該面進(jìn)行傳播。鑒于該種特性，電磁波衍射極限被有效克服，電路元件小型化、集成化變?yōu)榭赡堋５仨氄J(rèn)識到，在微波及太赫波段，因金屬介電常數(shù)為負(fù)數(shù)，相當(dāng)于完美導(dǎo)體（PECS）[4]，表面等離子激元無法持續(xù)存在。鑒于此，為充分利用等離子體材料，實(shí)現(xiàn)表面等離子激元在低頻段能夠繼續(xù)沿金屬面?zhèn)鞑?，最終促使在微波及太赫頻段進(jìn)行有效傳播。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，國內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)研究探索，其中已見諸報(bào)道的有：孔陣列、金屬開槽結(jié)構(gòu)、光柵等結(jié)構(gòu)的表面等離子效應(yīng)，具體運(yùn)行頻率已覆蓋微波到太赫頻率等波段[6-9]。這些結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為三維立體結(jié)構(gòu)或者有一定厚度的二維結(jié)構(gòu)，不利于平面電路的制作與應(yīng)用，而且這種表面等離激元波也不適合于有折彎的情形，如果遇到有缺陷的結(jié)構(gòu)，很容易發(fā)生輻射。為有效克服該弊端，崔鐵軍團(tuán)隊(duì)在2013 年首創(chuàng)超薄型人工表面等離子激元新結(jié)構(gòu)，具體為設(shè)計(jì)了一種可以在柔性超薄介質(zhì)的襯底上附著皺褶金屬帶條結(jié)構(gòu)，電磁仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明這種超薄結(jié)構(gòu)具有顯著的亞波長和場局域效果，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值，并使得微波/THz 波段等離子電磁波函數(shù)集成電路成為可能。

此外，在微波頻段，集成電路中的傳輸線一般具有雙線結(jié)構(gòu)，例如微帶線和CPW 結(jié)構(gòu)，它們都離不開地結(jié)構(gòu)，這對于集成度的提高帶來了困難。然而，單線的超薄開槽金屬微帶并不需要地結(jié)構(gòu)，因而它更容易集成。在THz 波段，器件通常都是平面結(jié)構(gòu)，所以雙導(dǎo)體傳輸線對于THz 器件非常不方便，此時(shí)，CPWs 和超薄開槽金屬微帶結(jié)構(gòu)對于THz器件的集成非常有利。因此，本文所提出的共面SSPPs 結(jié)構(gòu)將在微波和THz 波頻率下的集成電路中產(chǎn)生重要應(yīng)用。新型的人工表面等離激元的微波濾波器主要應(yīng)用于微波基站、微帶電路和雷達(dá)等微波通訊系統(tǒng)，其覆蓋波段主要為L 波段至X 波段。

1 帶通濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該人工等離激元型微波濾波器，人工表面等離激元的產(chǎn)生是利用一種具有復(fù)合型凹槽結(jié)構(gòu)的傳輸線結(jié)構(gòu)，該復(fù)合凹槽結(jié)構(gòu)由周期性矩形凹槽以及矩形凹槽內(nèi)平行、周期性開設(shè)的子槽組成。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中第一段系共面波導(dǎo)段，實(shí)現(xiàn)微波信號的輸入/輸出；第二段系模式轉(zhuǎn)換段，是把第一段中的準(zhǔn)TEM 信號模式轉(zhuǎn)換成第三段中的SSPPs 模式；第三段系SSPPs 段。

圖1 該新型人工表面等離激元型微波帶通濾波器結(jié)構(gòu)

第一段系共面波導(dǎo)段，長度L1，主要實(shí)現(xiàn)了微波信號輸入及輸出，在本段中，叉指結(jié)構(gòu)[10，11]引入到共面波導(dǎo)傳輸上，用以在濾波器下阻帶產(chǎn)生衰減極點(diǎn)，并調(diào)控其下阻帶特性。通過調(diào)節(jié)加載的叉指結(jié)構(gòu)以及人工表面等離激元傳輸線的幾何尺寸，能夠精確調(diào)控該濾波器通帶范圍及阻帶抑制功能。

第二段系微帶波段轉(zhuǎn)向SSPPs 段的過渡段，長度L2。因?yàn)殡姶艌鲈谖Рǘ闻cSPP 段的傳導(dǎo)模式不同，通過引入過渡段起到優(yōu)化漸變作用，能夠最大限度減少模式及阻抗不匹配引起的電磁反射等情況。在本設(shè)計(jì)中，過渡段運(yùn)用漸變槽深技術(shù)用于電磁場阻抗與模式的優(yōu)化匹配，其中充當(dāng)?shù)氐拈_口曲線在笛卡爾坐標(biāo)系中采用曲線方程（1）實(shí)現(xiàn)電磁場阻抗及模式匹配，使得微波濾波器具有較小的通帶反射，式中曲線形狀系數(shù)a 的值取5～20 的范圍[12-14]。它可以幫助整個(gè)濾波器實(shí)現(xiàn)從準(zhǔn)TEM 模式向人工等離激元模式的漸變過渡。

第三段為SSPPs 段，其長度為L3。它采用了一種具有復(fù)合矩形凹槽的人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)，在周期性排列的矩形凹槽兩臂上有平行地、周期性的開設(shè)子矩形凹槽結(jié)構(gòu)。新型結(jié)構(gòu)的運(yùn)用可以提高微波段中亞波長的束縛效應(yīng)，使濾波器的阻帶特點(diǎn)充分發(fā)揮。新型濾波器介質(zhì)的基板的介電常數(shù)為2.65 的基片，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。

表1 微波濾波器各部尺寸（單位：mm）

2 仿真分析

設(shè)該濾波器中V 形凹槽深度為4.5mm 時(shí)，采用基片介電常數(shù)為2.65。經(jīng)時(shí)域有限差分計(jì)算仿真得到該S 參數(shù)特性曲線圖，如圖2 所示。

圖2 帶通濾波器的S 參數(shù)特性曲線

從帶通濾波器的S 參數(shù)特性曲線中可以看出在中心頻率4.7451GHz 情況下，-3dB 的通帶顯示為3.1504GHz 至6.3398GHz，通帶的內(nèi)紋波抖動(dòng)整體優(yōu)于0.8dB，而內(nèi)反射則小于-10dB。

3 結(jié) 論

在共面波導(dǎo)段采用叉指結(jié)構(gòu)加載技術(shù)，分析了叉指結(jié)構(gòu)和子母復(fù)合槽參數(shù)變化對帶通濾波器阻帶特性及帶寬的影響，該人工表面等離激元傳輸線可以提高傳輸線亞波長束縛效益，使得SPP 濾波器下阻帶特性更為優(yōu)異，而濾波器的上阻帶特性則可以通過叉指結(jié)構(gòu)的幾何尺寸加以控制。經(jīng)時(shí)域有限差分計(jì)算仿真。結(jié)果表明，當(dāng)濾波器各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)如附表1 所示時(shí)，帶通濾波器具有-3dB 范圍（3.1504GHz 至6.3398GHz）帶寬，通帶內(nèi)紋波的抖動(dòng)一般優(yōu)于0.8dB，而反射則小于-10dB。通過新型設(shè)計(jì)，帶通濾波器不僅實(shí)現(xiàn)了離子激元在微波頻段的有效傳播，也極大的解決了傳播頻率以及電子器件小型化、集約化等問題，且制作簡便、使用方便，能很好的滿足下一代微波通信的現(xiàn)實(shí)要求。