CN104157934B - 一种超宽带人工表面等离子滤波器 - Google Patents

一种超宽带人工表面等离子滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超宽带人工表面等离子滤波器，包括两端对称的同轴波导，同轴波导到圆柱型等离子波导的过渡波导以及中间的圆柱型等离子波导；其中，过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由半径和深度同时变化的周期性环型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口随曲线逐渐变化的喇叭天线实现；圆柱型等离子波导由半径和深度恒定的周期性环型凹槽阵列组成。本发明具有开放的对称结构、尺寸紧凑、宽频带、高性能、结构简单，尤其适合与传统微波或太赫兹传输线匹配使用，可作为一种新型宽频带等离子滤波器使用，为滤波器的设计及应用提供一种全新的思路和方案。

Description

一种超宽带人工表面等离子滤波器
技术领域
本发明涉及一种滤波器结构，尤其涉及一种超宽带人工表面等离子滤波器结构。
背景技术
表面等离子激元(SurfacePlasmonPolaritons，简称SPPs)是在光和金属表面的自由电子相互作用下所引起的一种电磁波模式。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波的照射下发生集体振荡，它局限在金属与介质界面附近，沿表面传播。由于金属的等离子频率一般都在紫外波段，在微波段，电磁波难以渗透，金属近似表现为理想导体(PEC)。在这些情况下，尽管金属表面原则上是能够传播SPPs的，但它的场在介质内的约束很差。近年来，有人提出在金属表面挖孔或刻槽的方法来增加电磁场在金属内的渗透能力，从而可以在较低频率对SPPs进行工程设计。这种等离子体频率受表面几何结构控制的表面等离子体被称为人工表面等离子体(SpoofSurfacePlasmonPolaritons，简称SSPPs)，它首先由Pendry等人在2004年提出，并应用于在较低频率对SPPs进行工程设计。其基本思想是在金属表面挖周期分布的孔洞，孔洞的尺寸和间隔都小于波长，以增强电磁波的渗透作用，从而通过等效媒质的手段降低了金属表层的等离子频率。2005年，Hibbins等人在微波段证实了SSPPs现象，自此SSPPs引起了研究者的极大兴趣。
一般来说，金属在低频段(微波段)近似为理想导体，故在其表面是不能传播SPPs的，但有了周期分布的孔洞后，表面不仅可以传播SPPs，还可以实现场的亚波长约束，而且周期性亚波长结构的等离子频率可以通过改变亚波长结构的几何尺寸来灵活改变。目前光滑的金属线被认为是最好的太赫兹波导之一，它的导波基于正常的SPPs机理。这种导波具有低损耗和低色散的优点，但是约束较差。因此，2006年，Maier等人把SSPPs的概念推广到了金属线的几何位形上，理论上证明了在理想导线上沿长度方向刻周期性分布的环型凹槽，可以传输SSPPs和实现场的亚波长约束。相比光滑金属线，上述金属线结构可以实现微波或太赫兹波的高度约束。
一直以来，空间传播波到SPPs的转换被广泛地研究，如通过棱镜耦合或衍射光栅。但对于导波到SSPPs的转换却研究甚少。2013年，东南大学提出了一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换的结构，它由传统的共面波导(coplanarwaveguide,简称CPW)和“牙齿型”等离子波导构成，两者之间设计了沟槽深度渐变的匹配过渡带。匹配过渡部分实现了CPW和等离子波导的波矢匹配和阻抗匹配，此结构在微波段实现了从导波到SpoofSPPs的高效率和宽频段转换，为等离子功能器件在微波电路中的高度集成开创了应用前景。然而，考虑到超薄“牙齿型”等离子波导中传输的电磁场形式，对于其他的传统波导，如同轴波导，上述方案将不再适用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中涉及的“牙齿型”等离子波导结构不能实现和同轴波导之间的高效转化功能的缺陷，提供一种结构简单对称、尺寸紧凑、易于与传统微波传输线配合使用、性能好的新型同轴波导到圆柱型等离子波导转换器，在实现空间导波到SSPPs的高效和宽频带转化的基础上作为一种新型宽频带等离子滤波器使用，可为滤波器的设计及应用提供一种全新的思路和方案。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：包括两端对称的同轴波导和同轴波导到圆柱型等离子波导的过渡波导，以及中间的圆柱型等离子波导；
其中，过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由半径和深度同时变化的周期性环型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口随曲线逐渐变化的喇叭天线实现；圆柱型等离子波导由半径和深度恒定的周期性环型凹槽阵列组成。
本发明可以根据同轴波导的类型和尺寸来调节过渡波导和圆柱型等离子波导的结构尺寸，实现微波段或太赫兹波段空间导波到SSPPs的转化，进而完成等离子波导的超宽带滤波功能，从而在微波或太赫兹频段给等离子超材料器件的设计及应用提供一种全新的思路和方案。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明主要基于传统同轴波导到圆柱型等离子波导的高效转化的思想提出一种超宽带人工表面等离子滤波器，尤其是结合同轴波导中导波和圆柱型等离子波导中SSPPs的传输形式设计出实现同轴波导到等离子波导的高效转化的新型过渡结构，为实现导波到人工SPPs转化的应用解决了关键性的难题，同时也解决了现实实验测试的难题，为等离子超材料器件的设计及应用开拓出更为广泛的前景。
2.本发明具有双侧同轴波导接口面，支持对称输入/输出结构设计，该杂交波导在结构上包含左右两侧对称的同轴波导，中间呈恒定周期变化的刻蚀环型凹槽的圆柱型等离子波导以及连接同轴波导和圆柱型等离子波导的过渡结构。这种波导是基于导波到SSPPs的高效转化的设计思想，提出了利用半径和深度同时变化的环型凹槽结构来实现同轴波导和圆柱型等离子波导之间的波数匹配以及外导体采用随曲线渐变的喇叭天线来实现同轴波导和圆柱型等离子波导之间的阻抗匹配。这种立体结构能实现信号的高效且对称输入和输出方式以及在高功率微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性。
3.创新性强，技术前瞻性好：该超宽带人工表面等离子滤波器结构，在微波频段实现了电磁波的强局域性和高效传输，创新性强，国内外未见此类滤波结构；其可以很好的与传统微波传输线配合使用，并可应用于太赫兹波段，拓展了圆柱型等离子体传输线的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
4.效率高、频带宽；本发明最终可以实现人工表面等离子器件的高效和超宽带滤波功能。在1～7GHz范围内，S11均在-10dB以下，S21均大于-3dB，在f＝5GHz时，S21最高可达到-0.4dB，从而实现了信号在人工表面等离子超材料中的高效和宽频带传输，以及等离子超材料对信号的超宽带滤波的功能。
附图说明：
图1是实施例一的主视图；
图2(a)是实施例二的结构剖面主视图；
图2(b)是实施例二的同轴波导部分的左视图；
图2(c)是实施例二的过渡部分的内、外导体图；
图2(d)是实施例二的圆柱型等离子波导图；
图3是实施例二过渡波导环型凹槽阵列的凹槽深度和半径的变化对其色散特性的影响曲线图；
图4是实施例二的S参数效果图。
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
实施例一
如图2(a)所示，滤波器由左右两侧对称的同轴波导和同轴波导到圆柱型等离子波导的过渡波导以及中间恒定周期的圆柱型等离子波导组成。过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由半径和深度同时变化的周期性环型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口随曲线逐渐变化的喇叭天线实现；圆柱型等离子波导由半径和深度恒定的周期性环型凹槽阵列组成。过渡波导和圆柱型等离子波导的结构尺寸参数根据同轴波导的类型和尺寸来调节，与同轴波导参数(如波导类型、波导长度、波导横截面尺寸等)相匹配。
实施例二
以如图2(b)所示同轴波导为例，区域I为左右两侧对称的同轴波导，单个总长l1＝10毫米，波导内导体外径2R1＝7毫米，外导体内径2R2＝16毫米，壁厚t＝1毫米。转换器两端的同轴波导均可以作为导波信号的输入/输出端，当其中一个同轴波导作为输入端时，另一同轴波导则为输出端。
左右两侧对称的过渡波导分别与同侧的同轴波导连接，起到将信号高效地转化为SSPPs信号的作用。如图2(c)所示，过渡波导区域II包括内导体和外导体过渡。内导体过渡的环型凹槽阵列一开始采用半径从r1＝R1＝3.5毫米按恒定步数Δr＝0.5毫米递增到r2＝R3＝7.5毫米，同时，凹槽深度从h1＝0.5毫米按照恒定步长Δh1＝0.5毫米递增到h2＝4.5毫米；然后保持半径r2＝7.5毫米不变，采用深度从h2＝4.5毫米按照恒定步长Δh2＝0.5毫米递增到h3＝6毫米，环型凹槽阵列的其余部分保持渐变的最终半径r2＝7.5毫米和深度h3＝6毫米；环型凹槽阵列相邻两个凹槽的水平周期距离为d＝3毫米，沟槽宽度为a＝1毫米，用来实现同轴波导和圆柱型等离子波导之间的波数匹配，环型凹槽深度和半径的变化对其色散特性的影响如图3所示。本实施例中外导体的喇叭天线按照公式实现渐变，其中，(x1,y1)＝(l1,R2)和(x2,y2)＝(l1+l2,R2+ΔH)分别为曲线的起点和终点(由于左右两端对称，此处仅以左端喇叭天线为例)，ΔH>0，利用电磁仿真软件的优化可以得到一组优化参数α＝0.04，ΔH＝25毫米，此时滤波器可达到较优的性能，喇叭天线的壁厚为t＝1毫米保持不变，与同轴波导壁厚相匹配。过渡波导内相邻两个环型凹槽的水平周期间距d＝3毫米，单边过渡波导的总长度为l2＝68毫米。喇叭天线用来实现同轴波导和圆柱型等离子波导之间的阻抗匹配，喇叭天线的曲线公式和具体参数不限于本实施例。
中间恒定周期的圆柱型等离子波导作为对应频段的SSPPs信号传输的载体。如图2(d)所示，中间部分区域III的圆柱型等离子波导由导体半径为r2＝R3＝7.5毫米，凹槽宽度为a＝1毫米，深度h3＝6毫米，相邻两个凹槽的水平周期间距d＝3毫米的环型凹槽阵列组成，长度l3＝84毫米。该实施例转换器总长度为240毫米。
根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图4所示的高效性能，在1～7GHz范围内，S11均在-10dB以下，S21均大于-3dB，在f＝5GHz时，S21最高可达到-0.4dB，从而实现了信号在人工表面等离子超材料中的高效和宽频带传输，以及等离子超材料对信号的超宽带滤波的功能。

Claims (5)

1.一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：包括位于所述滤波器中间的圆柱型等离子波导，位于所述滤波器两端的两个同轴波导，和所述两个同轴波导分别到圆柱型等离子波导的两个过渡波导，且两个同轴波导和两个过渡波导均关于所述滤波器呈两端对称；其中，过渡波导包括内导体过渡和外导体过渡，内导体过渡由朝圆柱型等离子波导方向半径和深度同时变化的周期性环型凹槽阵列实现，外导体过渡由朝圆柱型等离子波导方向开口随曲线逐渐变化的喇叭天线实现；圆柱型等离子波导由半径和深度恒定的周期性环型凹槽阵列组成；过渡波导中内导体过渡与圆柱型等离子波导连接。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：过渡波导中，内导体过渡的环型凹槽阵列一开始采用半径从r1按恒定步数△r递增到r2，同时，凹槽深度从h1按照恒定步长△h1递增到h2；然后保持半径r2不变，采用深度从h2按照恒定步长△h2递增到h3，环型凹槽阵列的其余部分保持渐变的最终半径r2和深度h3；环型凹槽阵列相邻两个凹槽的水平周期距离为d，过渡波导单个总长度l2，参数r1、△r、r2、h1、△h1、h2、△h2、h3、d、l2与同轴波导参数尺寸相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：过渡波导中，外导体过渡的喇叭天线渐变按照公式实现渐变，其中，(x1,y1)和(x2,y2)分别为曲线的起点和终点，喇叭天线的壁厚为t保持不变，参数α、t与同轴波导参数尺寸相匹配。
4.根据权利要求1或2所述的一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：圆柱型等离子波导由相邻两个环型凹槽的水平周期距离为d，凹槽宽度为a，深度为h3的环型凹槽阵列组成，总长度为l3，参数d、a、h3、l3与同轴波导参数尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：任意一端的同轴波导作为导波信号的输入端/输出端，另一端的同轴波导则为输出端/输入端。
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