基于表面等離子激元模式的帶通濾波器設計

劉海霞

（常州鐵道高等職業(yè)技術學校軌道交通系，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分界面，并只僅沿該面進行傳播。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?。但必須認識到，在微波及太赫波段，因金屬介電常數(shù)為負數(shù)，相當于完美導體（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行有效傳播。為實現(xiàn)該目標，國內外進行了相關研究探索，其中已見諸報道的有：孔陣列、金屬開槽結構、光柵等結構的表面等離子效應，具體運行頻率已覆蓋微波到太赫頻率等波段[6-9]。這些結構通常表現(xiàn)為三維立體結構或者有一定厚度的二維結構，不利于平面電路的制作與應用，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構，很容易發(fā)生輻射。為有效克服該弊端，崔鐵軍團隊在2013 年首創(chuàng)超薄型人工表面等離子激元新結構，具體為設計了一種可以在柔性超薄介質的襯底上附著皺褶金屬帶條結構，電磁仿真與實驗結果均表明這種超薄結構具有顯著的亞波長和場局域效果，因此具有重要的應用價值，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構，例如微帶線和CPW 結構，它們都離不開地結構，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構，因而它更容易集成。在THz 波段，器件通常都是平面結構，所以雙導體傳輸線對于THz 器件非常不方便，此時，CPWs 和超薄開槽金屬微帶結構對于THz器件的集成非常有利。因此，本文所提出的共面SSPPs 結構將在微波和THz 波頻率下的集成電路中產生重要應用。新型的人工表面等離激元的微波濾波器主要應用于微波基站、微帶電路和雷達等微波通訊系統(tǒng)，其覆蓋波段主要為L 波段至X 波段。

1 帶通濾波器結構設計

該人工等離激元型微波濾波器，人工表面等離激元的產生是利用一種具有復合型凹槽結構的傳輸線結構，該復合凹槽結構由周期性矩形凹槽以及矩形凹槽內平行、周期性開設的子槽組成。結構如圖1 所示。

其中第一段系共面波導段，實現(xiàn)微波信號的輸入/輸出；第二段系模式轉換段，是把第一段中的準TEM 信號模式轉換成第三段中的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構

第一段系共面波導段，長度L1，主要實現(xiàn)了微波信號輸入及輸出，在本段中，叉指結構[10，11]引入到共面波導傳輸上，用以在濾波器下阻帶產生衰減極點，并調控其下阻帶特性。通過調節(jié)加載的叉指結構以及人工表面等離激元傳輸線的幾何尺寸，能夠精確調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向SSPPs 段的過渡段，長度L2。因為電磁場在微帶波段與SPP 段的傳導模式不同，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。在本設計中，過渡段運用漸變槽深技術用于電磁場阻抗與模式的優(yōu)化匹配，其中充當?shù)氐拈_口曲線在笛卡爾坐標系中采用曲線方程（1）實現(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]。它可以幫助整個濾波器實現(xiàn)從準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合矩形凹槽的人工表面等離激元傳輸線結構，在周期性排列的矩形凹槽兩臂上有平行地、周期性的開設子矩形凹槽結構。新型結構的運用可以提高微波段中亞波長的束縛效應，使濾波器的阻帶特點充分發(fā)揮。新型濾波器介質的基板的介電常數(shù)為2.65 的基片，其他結構參數(shù)詳見表1。

表1 微波濾波器各部尺寸（單位：mm）

2 仿真分析

設該濾波器中V 形凹槽深度為4.5mm 時，采用基片介電常數(shù)為2.65。經時域有限差分計算仿真得到該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，通帶的內紋波抖動整體優(yōu)于0.8dB，而內反射則小于-10dB。

3 結 論

在共面波導段采用叉指結構加載技術，分析了叉指結構和子母復合槽參數(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構的幾何尺寸加以控制。經時域有限差分計算仿真。結果表明，當濾波器各個部分的結構參數(shù)如附表1 所示時，帶通濾波器具有-3dB 范圍（3.1504GHz 至6.3398GHz）帶寬，通帶內紋波的抖動一般優(yōu)于0.8dB，而反射則小于-10dB。通過新型設計，帶通濾波器不僅實現(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)實要求。