一种人工等离激元型微波带通滤波器的研究

晏伯武

(湖北理工学院 计算机学院,湖北 黄石 435003)

一种人工等离激元型微波带通滤波器的研究

晏伯武

(湖北理工学院 计算机学院,湖北 黄石 435003)

移动通讯需要大量用于微波选频的高性能滤波器，随着频率的升高，迫使器件尺寸小型化，但小型化到一定的程度时，电磁干扰噪声、RC延迟等达到极限导致器件不能稳定工作，为此探索人工表面等离激元型微波器的设计和运用具有较高的研究价值。通过特殊的结构设计设计了一种金属微带加载的人工等离激元型微波带通滤波器，采用时域有限差分方法对该样品的滤波特性曲线进行计算。结果表明该滤波器通带内电磁场的分布主要局域于金属微带加载凹槽周围，避免电磁场强烈反射，传输损耗低，大大提高了滤波器工作时的抗电磁干扰能力，表明人工等离激元型微波带通滤波器得到较好的实现。

带通滤波器;人工等离激元;传输损耗;电磁干扰

大数据时代，随着信息需求量爆炸式地增长，移动通讯领域要求能制造出集成度更高的微波器件。现今频谱资源越来越拥挤，故对频率的选择要求更高，更需要大量用于选频的高性能滤波器。然而随着高频集成电路尺寸的不断缩小，技术上出现了一系列问题，如当微波器件的尺寸小到一定的程度时，器件的电磁干扰噪声、RC延迟等达到极限导致器件工作不稳定，因此现有的微波器件已不能适应当今大规模微波集成电路的发展需求[1-3]。为了克服这一困难，采用表面等离激元型微波器件将是一种有效的解决方案。等离激元是固体中价电子相对于离子实的纵向振荡波的量子，是固体中电子-电子互作用系统的集体性元激发。其主要特征是：在宏观尺度上保持整体的电中性，平衡时各处的正、负电荷密度相等。而表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)则是高度束缚于介质和金属界面的表面电磁波，它在沿着金属介质表面上呈传播态，而在金属介质界面的法向则呈指数衰减态。由于金属中的等离激元共振频率是处在可见光和红外频段，因此，SPPs电磁场最初只能用在光频段来克服光的衍射极限和缩小光学器件的物理尺寸[4-6]。 可是，在低于光频段的太赫兹和微波频段，SPPs电磁场不能在介质和金属的界面上传播，因为此时的金属具有大的负介电常数，类似理想导体的性质，不能支持等离激元共振。这一困难直到2004年才由英国帝国理工大学的Pendry教授首次解决。他发明了一种周期性的金属开槽结构，这种结构在微波频段具有类似于光频段的等离激元共振的特点，同样具有截止频率和色散特性，并具有将传统Sommerfeld或Zenneck表面电磁场转换为高度束缚的等离激元型电磁场的特点，因此，这种结构又被称为人工等离激元型电磁场(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)。 这种人工表面等离激元型微波器件将在传感器、滤波器、功分器等诸多微波器件中得到良好的工程运用，具有较高的研究价值[7-9]。

基于上述背景，设计提供了一种金属微带加载的人工等离激元型微波带通滤波器，该滤波器具有传输损耗低、避免电磁场强烈反射和抗电磁干扰能力强的特点。

1 设计方法

设计了一种金属微带加载微波带通滤波器。微波带通滤波器的结构示意图如图1所示，介质板(1)上设有金属微带(2)，共面波导段(4)经过渡段(5)与人工表面等离激元段(6)连接。金属微带(2)的两侧设有金属地(3)，其边缘为指数型曲线，并满足Y=h+g+w*(exp(a*(X-L1)/L2)-1)/(expa-1)的曲线方程。其中a为曲线形状系数，其取值为5～20；h为金属微带宽度，其取值为5～8 mm；g为金属微带(2)与金属地(3)的间距，其取值为0.3～1 mm；w为金属地宽度，其取值为20～35 mm；L1为共面波导段的长度，其取值为5～15 mm；L2为过渡段长度，其取值为50～80 mm。人工表面等离激元段(6)上分布有金属微带加载凹槽(7)，其整体宽度w1的取值为2.0～5.0 mm；槽深w2的取值为3～6 mm；加载金属微带的线宽度w3的取值为0.2～1.0 mm；线长度L4的取值为3.0～8.0 mm；金属微带加载凹槽的周期p为3～8 mm。加载凹槽在过渡段(5)上则采用深度渐变的设计。

在微波滤波器的共面波导段，电磁场为准TEM波。我们把电磁波在传播方向上没有电场和磁场分量称为横电磁波TEM(Transverse Electric and Magnetic Field)，如设定电磁波为z方向，那么电磁波的电场和磁场将没有z方向的分量，而实际的共面波导中，由于电磁场的边缘效应，允许少量的Ez、Hz分量的存在，因此，其电磁波模式是准TEM模式。整体滤波器的设计原理如下：准TEM模式的电磁场由左边的共面波导段(4)传输到过渡段(5)，在过渡段(5)中逐渐渐变为SSPPs模式的电磁场，且在过渡段(5)中准TEM模式和SSPPs模式的电磁场共存，当电磁场到达人工表面等离激元段(6)时，完全转化为SSPPs模式的电磁场，并在L3波导中进行传输，传输后SSPPs模式电磁场又经过右边的过渡段转化为准TEM模式的电磁场，由右边的共面波导段输出。当电磁场在共面波导段(4)传播，该段内电磁场的模式为准TEM模式，该模式电磁场被束缚在共面波导段(4)与金属地(3)间的介质板内；在过渡段(5)传播时，该段内准TEM模式与SSPPs模式共存，其中准TEM模式电磁场被束缚在过渡段(5)与金属地(3)间的介质板内，SSPPs模式电磁场则大部分被束缚在金属微带加载凹槽周围，而电磁场在L3中进行传播时，该段内为SSPPs模式，所以该模式电磁场被束缚在金属微带加载凹槽中。

图1 微波带通滤波器的结构示意图

当金属微带加载凹槽(7)的整体宽度w1的取值为2.0～5.0 mm、槽深w2的取值为3～6 mm、加载金属微带的线宽度w3的取值为0.2～1.0 mm、线长度L4的取值为3.0～8.0 mm、金属微带加载凹槽周期p为3～8 mm时，金属微带加载对电磁场具有很好的束缚效果。微波滤波器样品各部分参数见表1。

表1 微波滤波器样品各部分参数 mm

2 结果与讨论

上述滤波器的介质板选用介电常数为2.65的基片，采用时域有限差分方法对该样品的滤波特性曲线进行计算，带通滤波器的S参数曲线如图2所示。图2中S11为滤波器反射系数，S21为滤波器传输系数，该样品为带通滤波，其-3 dB通带为2.186～4.134 GHz，样品在整个通带内纹波抖动优于1.5 dB，通带内反射小于-15 dB。

图2 带通滤波器的S参数曲线图

为了对比说明该滤波器过渡段的重要作用，又设计了一个不含过渡段L2的滤波器，其介质板的介电常数为2.65，其他结构参数同表1；采用时域有限差分计算该滤波器的反射特性曲线。滤波器中不采用过渡段的S参数曲线如图3所示。

图3 滤波器中不采用过渡段的S参数曲线图

由图3得知，该滤波器通带内反射系数大大超过-10 dB。由图2和图3对比可知，过渡段使该样品的反射特性得到有效改善。

本设计的滤波器在共面波导段(4)(以下用其长度符号L1替代)和人工表面等离激元段(以下用其长度符号L3替代)间设置过渡段(以下用其长度符号L2替代)。通过该结构，实现了电磁场在L1和L3中传播的平稳过渡，避免了电磁场由准TEM模式转化为SSPPs模式传播时因模式和阻抗不匹配而出现的强烈的微波电场反射；当处于L2位置的金属地的边缘满足指数曲线方程Y=h+g+w×(exp(a×(X-L1)/L2)-1)/(exp(a)-1)，且曲线形状系数a为5～20、金属微带宽度h为5～8 mm、金属微带(2)与金属地(3)间距g为0.3～1 mm、金属地宽度w为20～35 mm、共面波导段长度L1为5～15 mm，过渡段长度L2为50～80 mm时，磁场传播的过渡最平稳。不仅如此，本设计的滤波器在L2上还设有深度渐变的金属微带加载,通过该结构，可进一步实现准TEM模式向SSPPs模式的过渡，减少微波电场反射。

此外，本滤波器在L3上设置一系列的金属微带加载，通过该结构使得电磁场在传输时被束缚在金属微带加载凹槽内部，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得抗干扰能力大大增强，同时也增强了高密度微波集成电路工作时的稳定性。不仅如此，因抗电磁干扰能力大大增强，本设计采用的结构还能减小微波集成电路金属微带间的间距以实现器件的小型化，因而能更好地适应当今大规模微波集成电路的发展。本滤波器还能通过调节金属微带加载凹槽的几何尺寸来调控微波传输线的截止频率和电磁场分布，同时调整电磁波的束缚效果。

对图2中滤波器工作于3 GHz时的表面电场分布做了时域有限差分计算，其结果表明，该滤波器通带内电磁场的分布主要局域于金属微带加载凹槽上，大大提高了滤波器工作时的抗电磁干扰能力。

3 结论

设计了一种人工等离激元型微波带通滤波器。该滤波器结构可分为3段，第1段为共面波导段，作为微波信号的输入/输出；第2段为过渡段，其上设有深度渐变的金属微带加载，以及采用具有指数函数形式的金属地结构，这些结构可很好地实现准TEM模式向SSPPs模式的平稳过渡，减少微波电场反射；第3段为人工等离激元段，其上设置一系列的金属微带加载，通过该结构，使得电磁场在传输时被束缚在金属微带加载凹槽内部，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得抗干扰能力大大增强。本滤波器还能通过调节金属微带加载凹槽的几何尺寸来调控微波传输线的截止频率和电磁场分布，同时调整电磁波的束缚效果。

[1] Gao X,Zhou L,Liao Z,et al.An ultra-wideband surface plasmonic filter in microwave frequency[J].Applied Physics Letters,2014,104 (19):175-179.

[2] Zhang HC,Cui TJ,Zhang Q,et al.Breaking the challenge of signal integrity using time-domain spoof surface plasmon polaritons[J].ACS Photonics,2015,2:1333-1340.

[3] Xu JJ,Zhang HC,Zhang Q,et al.Efficient conversion of surface-plasmon-like modes to spatial radiated modes[J].Applied Physics Letters,2015,106(2):10681.

[4] Jones AC,Olmon RL,Skrabalak SE,et al.Mid-IR plasmonics:near-field imaging of coherent plasmon modes of silver nanowires[J].Nano Letters,2009,9(7):2553-2558.

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[6] Ode K,Mai H,Takashima Y,et al.Highly sensitive plasmonic optical sensors based on gold core-satellite nanostructures immobilized on glass substrates[J].Acs Applied Materials & Interfaces,2016,8(32):20522-20526.

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[8] Zhang HC,Cui TJ,Zhang Q,et al.Breaking the challenge of signal integrity using time-domain spoof surface plasmon polaritons[J].ACS Photonics,2015,2,1333-1340.

[9] Wu JJ,Hou DJ,Liu K,et al.Differential microstrip lines with reduced crosstalk and common mode effect based on spoof surface plasmon polaritons[J].Optics Express,2014,22(22):26777-26787.

(责任编辑吴鸿霞)

Research on a Novel Artificial Plasmonic Microwave Band-pass Filter

YanBowu

(School of Computer,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

A large number of high performance filters in the microwave region are needed in the field of mobile communications.With the increasing of frequency,device sizes have to be miniaturized.When the device is miniaturized to some certain extent,electromagnetic interference noise,or RC delay gets to certain limit,the devices are unable to work steadily.The design and applications of artificial plasmonic microwave band-pass filter have great research value.Through the special structure design,a novel with metal microstrip loaded artificial plasmon type microwave band-pass filter is designed.The filtering characteristic curve of the sample is calculated by the finite difference time domain method,as well.The results show that the distribution of electromagnetic field in the passband of the filter is mainly localized around the metal loaded groove,the filter can realize the characteristics of low transmission loss,strong capability to avoid the large reflection of electromagnetic field and the capability of anti-electromagnetic interference, which shows that the artificial plasmon type microwave band-pass filter is well implemented.

band-pass filter;artificial plasmon;transmission loss;electromagnetic interference

2017-05-23

国家自然科学基金项目(项目编号：51567017)；湖北省教育厅重点科技项目(项目编号：D20123002)。

晏伯武，教授，博士，研究方向：微电子与固体电子学。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.001

TN713

：A

：2095-4565(2017)04-0001-04