一种螺旋开槽半模基片集成人工表面等离激元滤波器

技术领域

本发明涉及波导与传输线技术领域，尤其涉及一种螺旋开槽半模基片集成人工表面等离激元滤波器。

背景技术

随着无线通信技术的发展，微波频率资源日益紧缺，频谱利用率的提高和外界信号干扰的消除是当前无线通信系统亟待解决的难题之一。在各种无线通信系统中，具有带内损耗低和带外抑制高等特点的带通滤波器(BPF)被广泛应用。传统微带线结构具有体积小、结构简单、造价低等优点，但是在较高频率特别是毫米波频段，微带电路的电磁波泄漏严重，传输损耗大。金属波导在高频段具有低插损、低辐射、高品质因数等优点，然而其体积大、加工困难、造价昂贵。因此，需要研究一种新型微波滤波器，既具有微带线的体积优势，又具有金属波导的高性能和低损耗特点，以提高滤波器的性能和可靠性。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术是一种新型的微波和毫米波集成电路技术，可以解决上述的传统波导和微带线技术在高频段存在的一些问题。基片集成波导技术通过将金属化介质板上的波导结构和微带线结构结合起来，形成一种新的传输线，具有低损耗、高品质因数、小尺寸和高可靠性的特点。因此，基片集成波导技术在无线通信、卫星通信、雷达、毫米波通信等领域中应用广泛。半模基片集成波导(Half Mode Substrate IntegratedWaveguide,HMSIW)技术是在基片集成波导技术的基础上发展而来的。与SIW技术相比，HMSIW在保持了优良电性能的同时尺寸缩小了约一半，因此可以使微波、毫米波系统进一步小型化。

表面等离激元是一种在金属和电介质交界面上传播的电磁波，由于具有近场增强的特性，电磁波在垂直于界面的方向上存在指数衰减。为了在低频率下模拟表面等离激元，人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)的概念被引入。在《Mimicking surface plasmons with structured surfaces》一文中，Pendry等人首次提出了人工表面等离激元，并证明结构化金属表面可以支持SSPPs模式。在此基础上，人们研究了周期性梳状的超薄金属层的共形人工表面等离子体波导结构，实现了人工表面等离激元波导由立体结构向平面结构的转变，并达到与平面电路和系统的兼容性。近来，平面型人工表面等离激元滤波器因在微波与太赫兹集成电路与系统中具有重要应用而受到广泛关注。尽管通过结合HSIW的高通滤波特性和SSPPs的低通滤波特性，可以设计出具有良好滤波响应的通带滤波器，但开发具有尺寸小、低插入损耗和高带外抑的高性能宽通带HSIW-SSPPs滤波器仍然是当前面临的一个重要挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种在微波与太赫兹波段实现具备宽通带传输特性优、带外抑制水平高和束缚性能强的小型化半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器来解决以上的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺旋开槽半模基片集成人工表面等离激元滤波器，采用半模设计，体积是传统基片集成波导的二分之一，包括柔性基板和金属层，所述金属层分别位于基板的上下两侧，并通过金属化通孔连接；

至少其中一侧金属层设有方形螺旋金属开槽结构阵列；所述方形螺旋金属开槽结构阵列位于金属层没有金属化通孔的一侧边缘，其排列方向与金属化通孔的排列方向平行，方形螺旋金属开槽结构的螺旋方向自外而内为逆时针；在上下两层金属层的中心位置，分别设有一个开槽形式的开口谐振环。

所述方形螺旋金属开槽结构的方形螺旋匝数为0.5～2，边长范围为1.5～2.5mm，相邻两个方形螺旋金属开槽结构之间的距离为0.1～1mm，线宽为0.1～0.3mm。

所述方形螺旋金属开槽结构阵列，以中间方形螺旋金属开槽结构为对称轴向两边对称布置，且尺寸按照比例因子缩放，从两端向中间依次增大。

本发明中，金属化通孔与没有金属化通孔的一侧边缘之间的距离为有效宽度，有效宽度的范围为5～15mm。

本发明中，上侧金属层的两端设有微带传输线，微带传输线包括连接的矩形结构和梯形结构，矩形结构设于外侧，矩形结构的长度方向与金属化通孔的排列方向平行，梯形结构设于内侧，梯形结构与矩形结构连接处的宽度W

本发明两个开口谐振环的开口方向相同，开口处的折叠方式包括内凹型和外凸型。

所述两个开口谐振环的形状包括C形、圆形、椭圆形或螺旋形。

所述开口谐振环采用C形，在开口处向内折叠，折叠部分枝节的长度为0.1～4mm。

所述开口谐振环整体呈矩形设置，长度和宽度为2～6mm，开口尺寸为0.1～1mm，开口谐振环的开槽线宽范围为0.1～0.5mm。优选地，边长i为5.1mm，开槽线宽k为0.2mm，开口尺寸c为0.4mm，向内折叠的枝节长度j为2mm。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

(1)本发明通过基片集成波导上的周期性排列的方形螺旋金属开槽结构传输人工表面等离激元电磁波，其色散曲线的渐近频率较低、对电磁场束缚性能较强。

(2)本发明采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输微波与太赫兹人工表面等离激元电磁波。

(3)本发明的基片集成波导部分采用半模设计，基片集成波导(SIW)的工作模式是TE10模，沿传播方向的轴平面电壁可以将SIW对称分成两个部分，而不会对TE10模式的电磁场产生任何影响，在此基础上就可以得到半模基片集成波导(HMSIW)。此外，附加人工表面等离激元结构设计在基片集成波导之上，极大减小了滤波器的体积。

(4)本发明通过加入两个开口谐振环在低频截止频率处引入传输零点，从而实现在较小的尺寸下具有较为陡峭的上升沿以及下降沿。

(5)本发明性能优异，在通带内S11低于-11dB，S21高于-0.8dB，阻带内S21低于-20dB，矩形系数Kv

(6)本发明传输特性主要取决于方形螺旋金属开槽结构的匝数、线宽和半模基片集成波导的有效宽度以及谐振环的相应敏感参数，人工设计方便、灵活，通过尺度变换，放大、缩小单元及枝节结构尺寸，能够用于微波、毫米波、或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的传输。

(7)本发明结构属于扁平化结构，由于基片集成波导与微带传输线存在完美匹配，可用于设计各种微波毫米波甚至太赫兹功分器、耦合器、天线、放大器、混频器等无源及有源电路、器件甚至组件或系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中(a)为俯视示意图，(b)为仰视示意图；

图2为本发明单元结构的示意图，其中(a)为俯视示意图，(b)为仰视示意图；

图3为本发明单元结构的色散曲线图，其中(a)为方形螺旋金属开槽结构不同匝数q对色散的影响，(b)为半模基片集成波导不同有效宽度a对色散的影响；

图4为本发明的S参数曲线图。

附图标记：1、基板；2、金属层；21、方形螺旋金属开槽结构；22、金属化通孔；23、谐振环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例

参考图1，本实施例一种螺旋开槽半模基片集成人工表面等离激元滤波器，包括基板1及其上下两层的金属层2，基板1的材料选取Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，传输损耗角为0.0009。

至少其中一侧金属层设有方形螺旋金属开槽结构阵列，方形螺旋金属开槽结构阵列包括中间的方形螺旋金属开槽结构21及其两侧间隔对称排列的若干方形螺旋金属开槽结构21。方形螺旋金属开槽结构21是在金属层2的表面开槽形成方形螺旋结构。作为示例，本实施例的金属层2具有11个方形螺旋金属开槽结构21，以中间的方形螺旋金属开槽结构21为对称轴，两侧的若干方形螺旋金属开槽结构21对称分布。在其他实施例中，方形螺旋形状可以改变螺旋方向和螺旋匝数，方形螺旋的数量并不固定，可以更多或者更少并且可分布在金属层2的单面或呈对称、反对称、偏移对称等方式分布于金属层2的双面。

本实施例以金属层2的单面设有方形螺旋金属开槽结构阵列作为示例进行说明。具体地，半模基片集成波导一侧边缘设有金属化通孔22，金属层2和金属化通孔22的材料为铜。方形螺旋金属开槽结构21设在没有金属化通孔22的另一侧，并且其排列方向与金属化通孔22的排列方向平行，方形螺旋金属开槽结构21螺旋方向自左向右，自内而外；从最侧边的方形螺旋金属开槽结构21向中间的方形螺旋金属开槽结构21分布，其螺旋的大小呈梯度增大，相邻两个方形金属开槽结构21中心之间的距离不变。具体地，方形螺旋的起点位于单元结构的右下角，逐渐向左螺旋并向内弯折，螺旋的匝数范围为0.5～2，整个方形螺旋的边长范围为1.5～2.5mm，相邻两个方形螺旋之间的距离为0.1～1mm。金属化通孔22与没有金属化通孔的另一侧边缘之间的距离为有效宽度，有效宽度的范围为5～15mm。

在此实施例中，参考图2，方形螺旋金属开槽结构21的单元结构尺寸如下：金属化通孔22直径d为0.6mm，相邻两个金属化通孔22的中心之间的距离x为1.3mm，方形螺旋的相关参数为sy＝1.95mm，sx＝2.1mm，sy

如图1所示，半模基片集成波导的两端设有微带传输线，微带传输线包括矩形结构和梯形结构，矩形结构的长度方向与金属化通孔22的排列方向平行，梯形结构设于矩形结构和半模基片集成波导之间，梯形结构与矩形结构连接处的宽度相同，且该宽度小于与半模基片集成波导连接一侧的宽度。也就是说，可将滤波器分为三部分，左右两端为微带传输线，中间则是带有方形螺旋金属开槽结构21的半模基片集成波导,波导长度L为41.6mm。该滤波器为对称结构，两端为馈电端，梯形结构与矩形结构连接一侧的宽度W

在此实施例中，半模基片集成波导滤波器还设有C形折叠的第一谐振环以及与第一谐振环开口方向相同的第二谐振环，第一谐振环和第二谐振环以开槽的形式分别设置在上下两层金属层的中心处。具体地，基板1一侧的金属层2设有方形螺旋金属开槽结构阵列和第一谐振环，基板1另一侧的金属层2设有与第一谐振环开口方向相同的第二谐振环。通过改变C形折叠的谐振环23的长度、宽度开口的大小或向内折叠的长度来调节谐振频率使得谐振频率恰好为滤波器下截止频率，以此来增大通带的矩形系数。谐振环23的形状不局限于本实施例中所提及的C形开口处内凹，也可以采用C形、圆形、椭圆形、螺旋形等开口处外凸形等形状。具体地，谐振环的长度和宽度范围为2～6mm，开口大小为0.1～1mm，向内折叠的枝节长度为0.1～4mm。本实施例以C形折叠的谐振环23作为示例，通过在半模基片集成波导的上下金属层2表面以缺陷的形式开槽形成开口方向相同的C形折叠的谐振环23。通过引入谐振环23，在原本通带的下截止频率处引入传输零点。谐振环23的尺寸相同。具体地，谐振环23的边的边长i为5.1mm，开槽线宽k为0.2mm，开口尺寸c为0.4mm，向内折叠的枝节长度j为2mm。由图4的仿真及实测结果可见，该滤波器拥有更好的矩形度，滤波器的带通范围为4.95GHz至9.00GHz，通带内的S11低于-11.5dB，S21高于-1.6dB，其矩形系数Kv

本发明通过加入C形折叠谐振环在通带下截至频率处引入传输零点，从而在频域上使阻带到通带的切换更为陡峭，实现具有更好的矩形系数的滤波器；通过尺度变换，放大、缩小单元及方形螺旋结构尺寸，能够用于微波、毫米波或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的传输。

以上描述了本发明的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。