基于表面等离子激元模式的带通滤波器设计

刘海霞

（常州铁道高等职业技术学校轨道交通系，江苏 常州213011）

人工表面等离子激元（artificial surface plasmon polaritons，ASPPs），其原理为光与金属表面自由电子作用，激发出的一种电磁波模式的表面波，该电磁波频率在可见光以及紫外光等区域[1-3]。表面等离子激元只存在于金属和介质分界面，并只仅沿该面进行传播。鉴于该种特性，电磁波衍射极限被有效克服，电路元件小型化、集成化变为可能。但必须认识到，在微波及太赫波段，因金属介电常数为负数，相当于完美导体（PECS）[4]，表面等离子激元无法持续存在。鉴于此，为充分利用等离子体材料，实现表面等离子激元在低频段能够继续沿金属面传播，最终促使在微波及太赫频段进行有效传播。为实现该目标，国内外进行了相关研究探索，其中已见诸报道的有：孔阵列、金属开槽结构、光栅等结构的表面等离子效应，具体运行频率已覆盖微波到太赫频率等波段[6-9]。这些结构通常表现为三维立体结构或者有一定厚度的二维结构，不利于平面电路的制作与应用，而且这种表面等离激元波也不适合于有折弯的情形，如果遇到有缺陷的结构，很容易发生辐射。为有效克服该弊端，崔铁军团队在2013 年首创超薄型人工表面等离子激元新结构，具体为设计了一种可以在柔性超薄介质的衬底上附着皱褶金属带条结构，电磁仿真与实验结果均表明这种超薄结构具有显著的亚波长和场局域效果，因此具有重要的应用价值，并使得微波/THz 波段等离子电磁波函数集成电路成为可能。

此外，在微波频段，集成电路中的传输线一般具有双线结构，例如微带线和CPW 结构，它们都离不开地结构，这对于集成度的提高带来了困难。然而，单线的超薄开槽金属微带并不需要地结构，因而它更容易集成。在THz 波段，器件通常都是平面结构，所以双导体传输线对于THz 器件非常不方便，此时，CPWs 和超薄开槽金属微带结构对于THz器件的集成非常有利。因此，本文所提出的共面SSPPs 结构将在微波和THz 波频率下的集成电路中产生重要应用。新型的人工表面等离激元的微波滤波器主要应用于微波基站、微带电路和雷达等微波通讯系统，其覆盖波段主要为L 波段至X 波段。

1 带通滤波器结构设计

该人工等离激元型微波滤波器，人工表面等离激元的产生是利用一种具有复合型凹槽结构的传输线结构，该复合凹槽结构由周期性矩形凹槽以及矩形凹槽内平行、周期性开设的子槽组成。结构如图1 所示。

其中第一段系共面波导段，实现微波信号的输入/输出；第二段系模式转换段，是把第一段中的准TEM 信号模式转换成第三段中的SSPPs 模式；第三段系SSPPs 段。

图1 该新型人工表面等离激元型微波带通滤波器结构

第一段系共面波导段，长度L1，主要实现了微波信号输入及输出，在本段中，叉指结构[10，11]引入到共面波导传输上，用以在滤波器下阻带产生衰减极点，并调控其下阻带特性。通过调节加载的叉指结构以及人工表面等离激元传输线的几何尺寸，能够精确调控该滤波器通带范围及阻带抑制功能。

第二段系微带波段转向SSPPs 段的过渡段，长度L2。因为电磁场在微带波段与SPP 段的传导模式不同，通过引入过渡段起到优化渐变作用，能够最大限度减少模式及阻抗不匹配引起的电磁反射等情况。在本设计中，过渡段运用渐变槽深技术用于电磁场阻抗与模式的优化匹配，其中充当地的开口曲线在笛卡尔坐标系中采用曲线方程（1）实现电磁场阻抗及模式匹配，使得微波滤波器具有较小的通带反射，式中曲线形状系数a 的值取5～20 的范围[12-14]。它可以帮助整个滤波器实现从准TEM 模式向人工等离激元模式的渐变过渡。

第三段为SSPPs 段，其长度为L3。它采用了一种具有复合矩形凹槽的人工表面等离激元传输线结构，在周期性排列的矩形凹槽两臂上有平行地、周期性的开设子矩形凹槽结构。新型结构的运用可以提高微波段中亚波长的束缚效应，使滤波器的阻带特点充分发挥。新型滤波器介质的基板的介电常数为2.65 的基片，其他结构参数详见表1。

表1 微波滤波器各部尺寸（单位：mm）

2 仿真分析

设该滤波器中V 形凹槽深度为4.5mm 时，采用基片介电常数为2.65。经时域有限差分计算仿真得到该S 参数特性曲线图，如图2 所示。

图2 带通滤波器的S 参数特性曲线

从带通滤波器的S 参数特性曲线中可以看出在中心频率4.7451GHz 情况下，-3dB 的通带显示为3.1504GHz 至6.3398GHz，通带的内纹波抖动整体优于0.8dB，而内反射则小于-10dB。

3 结 论

在共面波导段采用叉指结构加载技术，分析了叉指结构和子母复合槽参数变化对带通滤波器阻带特性及带宽的影响，该人工表面等离激元传输线可以提高传输线亚波长束缚效益，使得SPP 滤波器下阻带特性更为优异，而滤波器的上阻带特性则可以通过叉指结构的几何尺寸加以控制。经时域有限差分计算仿真。结果表明，当滤波器各个部分的结构参数如附表1 所示时，带通滤波器具有-3dB 范围（3.1504GHz 至6.3398GHz）带宽，通带内纹波的抖动一般优于0.8dB，而反射则小于-10dB。通过新型设计，带通滤波器不仅实现了离子激元在微波频段的有效传播，也极大的解决了传播频率以及电子器件小型化、集约化等问题，且制作简便、使用方便，能很好的满足下一代微波通信的现实要求。