基于梯形槽陣列的SSPPs型帶通微波濾波器

王 遠,熊厚博，王 耿，胡明哲

(1.湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068；2.湖北科技學院 電子與信息工程學院，湖北 咸寧 437100；3.六盤水師范學院 電氣工程學院，貴州 六盤水 553004)

0 引言

表面等離激元(SPPs)是一種束縛于金屬和介質交界面的表面電磁波，在金屬和介質間的界面上傳播，在界面的法向方向呈指數衰減，這是因為金屬與帶負介電常數的等離子體有相似的特性[1]。SPPs顯示出高度束縛和更短工作波長的顯著特性，這為克服衍射極限提供了有利條件[2]。SPPs因其獨特傳播特性成為實現全光集成的重要希望，即下一代更小、更快、更高效的光子電路[3]。近年來，研究人員將SPPs的優(yōu)異性能應用于微波和毫米波段的微型器件和電路的開發(fā)，并已在超分辨成像[3]、電磁感應透明(EIT)[4]、SPPs電路[5]和能量采集[6]等領域進行了研究。然而，由于金屬內部等離激元共振頻率處于可見光和紅外頻段, SPPs 僅可考慮用于光頻段，而在較低的頻帶，如微波和太赫茲頻段，金屬不能支持等離激元共振，因而無法實現SPPs的深亞波長束縛效應。

同時，隨著大數據的涌現，信息需求急劇增加，微波器件已成為通信領域最熱門的研究領域。如在移動通信中，需創(chuàng)建更集成的微波器件，但隨著微波電路尺寸的不斷縮小，因電磁干擾噪聲和RC(電阻-電容延時電路)延遲達到極限等技術問題導致濾波器工作不穩(wěn)定。2004年，Pendry等提出了一種人工表面等離激元(SSPPs)的概念，在微波和太赫茲頻段下產生深亞波長效應，可用于制造新型微波小型器件[7]。與天然SPPs相比，SSPPs具有2個明顯的優(yōu)點:

1) 由于工作頻率遠低于金屬本身的等離激元頻率，它具有較小的損耗。

2) 通過設置SSPPs的結構參數，可靈活控制和重構等離激元的色散特性，從而制作成智能微波電路和設備。

與傳統(tǒng)微波器件相比，這些SSPPs微波器件具有特殊的性能[8-15]，如可以將微波場限制在亞波長范圍內，從而更好地抵抗電磁干擾，具有更高的靈敏度和更大的帶寬；并可突破衍射極限，實現微波器件的小型化到納米尺寸。因此，SSPPs濾波器非常適合應用于下一代微波通信[16-21]。

基于上述技術背景，本文設計并研究了一種新型的SSPPs微波帶通濾波器，SSPPs具有周期性排列的人工階梯阻抗槽結構，可改善微波波段的亞波長束縛效應，使SSPPs濾波器具有更好的抑制特性。另外，濾波器可通過耦合結構產生傳輸零點，以形成微波帶通濾波器。

1 濾波器設計理論

設計了一種在微波頻率范圍內工作的新型SSPPs濾波器，其由4部分組成：

1) 微帶波導。實現微波信號的輸入或輸出。

2) 過渡部分。微帶波導準橫電磁波(TEM)模式可通過該部分平穩(wěn)轉換成SSPPs模式。過渡部分采用階梯技術，設計了一種新穎的周期性排列的階梯阻抗槽結構，可增強微波波段亞波長的束縛效應，提高帶通SSPPs濾波器的通帶特性和抗電磁干擾能力。

3) SSPPs部分。

4) SSPPs耦合部分。其中兩條人工等離激元傳輸線相互耦合，耦合結構使電磁能量饋入其他SSPPs傳輸線，則饋電能量C和傳輸能量T分別為

C=sin2(κL)e-2αL

(1)

T=cos2(κL)e-2αL

(2)

式中：L為SSPPs耦合部分中耦合段的長度；α為SSPPs傳輸線的衰減常數；κ為耦合系數，它與SSPPs傳輸線之間的耦合間隙有關。通過調整耦合結構的幾何尺寸及階梯阻抗槽可靈活地控制濾波器的帶寬和抑制特性。特別地，階梯阻抗槽結構不會增加SSPPs傳輸線的總體幾何尺寸，還能優(yōu)化帶通濾波器的濾波特性。

最后，在過濾器的背面，設計了具有橢圓曲線結構的金屬地面，所設計的橢圓曲線方程為

(3)

式中:L1為微帶波導長度；L2為過渡段長度；L3為SSPPs波導段長度；h為金屬微帶寬度；x,y分別為自變量、因變量。

在笛卡爾坐標系中，橢圓曲線位置系數w= 6.0 mm，橢圓短半徑a=5.0 mm。這種設計可實現電磁場的阻抗和模式匹配。濾波器的總體幾何尺寸(包括正面和背面)如圖1所示，濾波器各部分的物理尺寸如表1所示。

圖1 SSPPs型微波帶通濾波器的正面結構圖

表1 微波過濾器每個部分的物理尺寸

L1/mmL2/mmL3/mma/mm530225階梯槽寬Ⅰw1/mm階梯槽寬Ⅱw2/mm階梯槽長ⅠL5/mm階梯槽總長L6/mm1.00.20.61.2耦合段長L4/mm耦合間隙d/mm階梯槽周期p/mm50.15.0

續(xù)表

w/mm金屬微帶寬h/mm介電基板寬wsub/mm61.515.2

2 實驗結果與討論

濾波器的介質基板采用厚0.5 mm、介電常數2.65，微波頻率損耗角正切0.003的基片。濾波特性曲線采用時域有限差分法(FDTD)法計算，數值結果如圖2所示。濾波器為帶通濾波器，其中心頻率為19.28 GHz。中心頻率的插入損耗為-1.6 dB，其-3 dB插入損耗的通帶寬度在18.03～20.52 GHz，相對帶寬為12.9%。通帶中反射系數S1,1<-8.7 dB，紋波<1.5 dB(見圖2)。

圖2 SSPPs濾波器的S參數曲線圖

為了直觀地了解模式匹配轉換、場傳播的特性及具有階梯阻抗槽結構的SSPPs波導上的束縛效應，圖3為在高于SSPPs波導表面0.5 mm的xOy平面上，能量在19.0 GHz處朝x方向流動。由圖可知，微帶波導中的準TEM模式被平穩(wěn)地轉換為具有低反射的SSPPs模式。電磁能量被緊密地限制在等離激元波導周圍的深亞波長范圍內，在整個通帶中以很小的反射和低吸收傳播。

圖3 濾波器工作在19.0 GHz頻率下的電場分量的法向圖

此外，通過調節(jié)SSPPs耦合部分中的d，可以精確地控制傳輸零點。如圖4所示，隨著d從0.06 mm增加到0.16 mm，傳輸零點可以從16.41 GHz調整到17.64 GHz，而阻帶幾乎不受影響，這表明通過獨立SSPPs耦合部分中的d，可以方便地調控濾波器帶寬。

圖4 具有不同耦合間隙結構的SSPPs濾波器的S參數曲線中的傳輸零點

3 結束語

本文設計并研究了一種具有人工SPPs結構的微波帶通濾波器。微波濾波器由4部分組成，其中在微波模式轉換部分，在具有周期性排列的階梯槽結構的過渡段中，TEM模式平穩(wěn)地轉換為SSPPs模式。SSPPs模式由一種新穎的周期性排列的階梯槽結構產生，階梯槽結構可以增強微波波段亞波長的限制效應，同時提高通帶特性和抗電磁干擾能力。在耦合部分中，電磁場能量可以通過調控耦合長度和耦合間隙實現饋送和精確控制。在最佳設計參數情況下，濾波器可以在19.28 GHz的中心頻率下工作，插入損耗為-1.6 dB，濾波器的-3 dB帶寬在18.03～20.52 GHz，相對帶寬為12.9%。整個通帶的反射小于-8.7 dB，紋波小于1.5 dB。上阻帶中的傳輸零點可通過SSPPs耦合部分中的耦合間隙參數精確控制。這些特性表明，該濾波器在微波波段的軍用和民用微波通信系統(tǒng)中具有很大的潛在用途。