一种基于SSPP的G波段波导带通滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种基于SSPP的G波段波导带通滤波器。

背景技术

太赫兹波刚好介于微观量子理论与宏观经典理论之间。由于其所处的特殊位置，太赫兹波可以表现出许多有别于其他种类电磁辐射的独特特性，这决定了太赫兹波在很多领域具有广泛良好的应用前景。现有实验和理论分析表明，在毫米波和近太赫兹频段存在35GHz、94GHz、140GHz和220GHz四个大气传输窗口。在当前技术水平下，由于传统微带线、基片集成波导在近太赫兹频段的损耗不可接受，波导结构与之相比具有功率容量高、损耗小等优势，且其尺寸在太赫兹频段较小，进而在太赫兹系统中广泛使用波导作为传输线。因此，在太赫兹频段基于波导的一系列微波器件的研究正在蓬勃发展。

滤波器作为选频器件，在抑制无用信号的同时尽可能地保留有用信号，广泛应用于卫星通信、移动通信、雷达系统、导航系统、电子对抗、无线遥测等领域，在现代通信系统中具有非常重要的作用。由于滤波器的性能直接影响整个通信系统的性能，随着电磁环境日益复杂，频率拥塞日益严重，对滤波器的性能要求也越来越高。

表面等离子体激元(Surface Plasmon，SP)是指金属与介质之间的等离子体震荡，它可以被电子或光子激发，由于其本身是电荷的运动，因此SP会在金属内外都创造出电磁场。

表面等离子体激元极化子(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是指红外或可见光频率下在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用所形成的混合激发态，即被电子与光子同时激发的SP，两者相互耦合。如图1所示，SPP包含了两种运动，一是金属表面的电荷运动，二是空气或者电介质中的电磁波。由于电磁波被约束在金属与电介质之间，因此其能量能被较好的约束在界面处，属于一种表面波。图2是典型的SPP色散曲线图，可以看到随着角频率ω的增加，波矢量k

SPP作为光频率区域的特殊电磁波，当频率降低到远红外、太赫兹或微波频段时，金属将类似于完美电导体，而不是具有负介电常数的等离子体，使得SPP无法被激发。欺骗表面等离子体激元极化子(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPP)是通过在金属表面蚀刻图案，如孔或者凹槽阵列等，构成周期性晶胞结构，以实现太赫兹或微波频段下的类SPP波传递，如图3所示。并且SPP波的特性由其周期性晶胞结构决定。

已有很多论文通过在微带线(Xu H,Zhao W-S,Wang D-W,et.Compact FoldedSSPP Transmission Line and Its Applications in Low-Pass Filters[J].IEEEPhotonics Technology Letters,2022,34(11):591-594)、基片集成波导(SIW)(Ji L,LiX-C,Mao J-F.Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Dispersion TailoringUsing 2.5-D Spoof Surface Plasmon Polaritons Structure[J].IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques,2020,68(7):2539-2550)或共面波导(CPW)(Ma HF,Shen X,Cheng Q,et.Broadband and high-efficiency conversion from guidedwaves to spoof surface plasmon polaritons[J].Laser&Photonics Reviews,2014,8(1):146-151)上集成SSPP来实现低通滤波器，也有论文(Y.Liu,K.-D.Xu,J.Li,Y.-J.Guo,A.Zhang and Q.Chen,"Millimeter-Wave E-Plane Waveguide Bandpass Filters Basedon Spoof Surface Plasmon Polaritons,"in IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,vol.70,no.10,pp.4399-4409,Oct.2022,doi:10.1109/TMTT.2022.3197593)提出了在5880基板上蚀刻SSPP晶胞阵列后，将其放置在波导E面上实现波导滤波器，结构如图4所示。由于5880等基板工作在高频段，特别是110GHz以上时，其介质损耗变得不可接受，因而上述成果都工作在较低的频段，且均采用SSPP的基础模式，需要结合其他高通结构以实现带通滤波器。

目前，在G波段(110GHz～300GHz)几乎所有的波导带通滤波器均为传统的耦合谐振式滤波器，主要由输入端、耦合腔、谐振腔和输出端组成，结构如图5所示，可见耦合谐振式滤波器需要较多谐振腔构成，会造成滤波器加工成本高、器件体积大等问题。

发明内容

针对现有G波段波导带通滤波器存在的技术问题，本发明提供了一种基于SSPP的G波段波导带通滤波器，无需与其他高通结构相结合，具有天然的带通特性，仅通过改变结构尺寸，即可灵活的调节带通滤波器的参数特性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于SSPP的G波段波导带通滤波器，包括标准矩形波导，以及位于标准矩形波导E面中心的SSPP晶胞阵列；所述SSPP晶胞阵列为旋转对称结构，包括沿信号传输方向依次等周期排布的N级结构尺寸相同的传输SSPP晶胞；N为大于等于2的正整数；

其中，所述传输SSPP晶胞为旋转对称结构，具体为两侧长边开有凹槽的矩形金属片状结构；矩形金属片状结构的长边方向为标准矩形波导的短边方向，且长度与标准矩形波导的短边尺寸相同；两个凹槽的深度方向为矩形金属片状结构的宽边方向，且深度大于矩形金属片状结构的宽度一半。

进一步地，通过改变传输SSPP晶胞中的凹槽深度，调节G波段波导带通滤波器的工作频带，具体地，随着传输SSPP晶胞中凹槽深度的增大，G波段波导带通滤波器的工作频带向低频移动。

进一步地，通过改变传输SSPP晶胞中两个凹槽间的间距，调节G波段波导带通滤波器的通带带宽，具体地，随着传输SSPP晶胞中凹槽间距的减小，G波段波导带通滤波器的通带带宽逐渐增加。

进一步地，所述矩形金属片状结构的厚度不超过75μm。

进一步地，所述SSPP晶胞阵列还包括位于N级传输SSPP晶胞一侧且等周期排布的M级首端过渡SSPP晶胞，以及位于N级传输SSPP晶胞另一侧且等周期排布的M级末端过渡SSPP晶胞；M为正整数；M级首端过渡SSPP晶胞、M级末端过渡SSPP晶胞与N级传输SSPP晶胞的周期相同；

其中，所述首端过渡SSPP晶胞和末端过渡SSPP晶胞均为旋转对称结构，具体为两侧长边开有凹槽的矩形金属片状结构，其结构尺寸与传输SSPP晶胞基本相同，与传输SSPP晶胞的区别仅在于两个凹槽间的间距不同，具体地，传输SSPP晶胞中两个凹槽间的间距记为2G

进一步地，所述首端过渡SSPP晶胞和末端过渡SSPP晶胞中两个凹槽间的间距均小于2G

进一步地，相邻首端过渡SSPP晶胞、传输SSPP晶胞和末端过渡SSPP晶胞之间均不相连。

进一步地，所述凹槽的结构为矩形或L形。

进一步地，所述凹槽的结构为矩形时，两个矩形凹槽的长边相邻且平行设置，长度大于矩形金属片状结构的宽度一半。

进一步地，所述凹槽的结构为矩形时，除两个凹槽间的间距外，首端过渡SSPP晶胞、传输SSPP晶胞和末端过渡SSPP晶胞的其他结构尺寸均相同。

进一步地，所述凹槽的结构为L形时，两个L形凹槽的下底边相邻且平行设置，下底边的长度大于矩形金属片状结构的宽度一半，传输SSPP晶胞中两个L形凹槽的下底边间距记为2G

进一步地，所述凹槽的结构为L形时，还对两个L形凹槽的下底边两端做倒角处理，便于加工，增强机械性能，提高滤波器性能。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种基于SSPP的G波段波导带通滤波器，采用中心连通、两边接地(指矩形金属片状结构与标准矩形波导相连，且矩形金属片状结构的长度与标准矩形波导的短边尺寸相同)的传输SSPP晶胞结构进行设计，由色散曲线可知其具有天然的带通特性，无需与其他具有高通滤波特性的结构相组合，即可实现基于SSPP的G波段带通滤波；并且，仅通过改变传输SSPP晶胞中凹槽的尺寸，即可调节带通滤波器的工作频带和通带带宽，设计灵活性更高；相比于传统的耦合谐振式滤波器，本发明具有加工成本低、器件尺寸小、参数易调节的优势。

附图说明

图1是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器的完整结构图；

图2是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器中WR-4波导E面中心剖分面的三维结构图；

图3是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器中WR-4波导E面中心剖分面的俯视图；

图4是本发明实施例1中传输SSPP晶胞的尺寸标注图；

图5是本发明实施例1中传输SSPP晶胞的尺寸数值标注图；

图6是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器的加工装配图；

图7是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器的色散曲线图；

图8是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器的频率响应曲线图；

图9是本发明实施例1提出的基于SSPP的波导带通滤波器在220GHz下的电场分布图；

图10是本发明实施例2提出的基于SSPP的波导带通滤波器中WR-6波导E面中心剖分面的三维结构图；

图11是本发明实施例2提出的基于SSPP的波导带通滤波器中WR-6波导E面中心剖分面的俯视图；

图12是本发明实施例2中传输SSPP晶胞的尺寸数值标注图；

图13是本发明实施例2中第一级首端过渡SSPP晶胞和第二级末端过渡SSPP晶胞的尺寸数值标注图；

图14是本发明实施例2中第二级首端过渡SSPP晶胞和第一级末端过渡SSPP晶胞的尺寸数值标注图；

图15是本发明实施例2提出的基于SSPP的波导带通滤波器的频率响应曲线图；

图16是本发明实施例2提出的基于SSPP的波导带通滤波器在140GHz下的电场分布图；

图17是本发明实施例3提出的基于SSPP的波导带通滤波器随传输SSPP晶胞的凹槽间距2G

图18是本发明实施例3提出的基于SSPP的波导带通滤波器随传输SSPP晶胞的凹槽深度L

附图中各标记的说明如下：

1：WR-4波导；2：第一级首端过渡SSPP晶胞；3：第二级首端过渡SSPP晶胞；4：传输SSPP晶胞；5：第一级末端过渡SSPP晶胞；6：第二级末端过渡SSPP晶胞；7：矩形凹槽；8：WR-6波导；9：L形凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供了一种工作频率范围为210GHz～235GHz的基于SSPP的波导带通滤波器，其完整结构如图1所示，包括WR-4波导1，以及位于WR-4波导1的E面中心的SSPP晶胞阵列。WR-4波导1的尺寸为1092μm×546μm。

所述波导带通滤波器的WR-4波导1的E面中心剖分面的三维图如图2所示，俯视图如图3所示，可见所述SSPP晶胞阵列为旋转对称结构，包括沿信号传输方向依次等周期排布的两级首端过渡SSPP晶胞(即第一级首端过渡SSPP晶胞2和第二级首端过渡SSPP晶胞3)、三级结构尺寸相同的传输SSPP晶胞4以及两级末端过渡SSPP晶胞(即第一级末端过渡SSPP晶胞5和第二级末端过渡SSPP晶胞6)。所述SSPP晶胞阵列的周期D

所述首端过渡SSPP晶胞、传输SSPP晶胞4和末端过渡SSPP晶胞均为旋转对称结构，具体为两侧长边开有矩形凹槽7的矩形金属片状结构，如图4和图5所示，除两个矩形凹槽7间的间距外，首端过渡SSPP晶胞、传输SSPP晶胞4和末端过渡SSPP晶胞的其他结构尺寸均相同。

具体地，所述矩形金属片状结构的长边方向为WR-4波导1的短边方向，且长度L与WR-4波导1的短边尺寸相同，具体为546μm；矩形金属片状结构的宽度D为300μm，厚度为50μm；两个矩形凹槽7的深度方向为矩形金属片状结构的宽边方向，深度L

三级传输SSPP晶胞4中两个矩形凹槽7间的间距(简称凹槽间距)相同，记为2G

如图6所示，所述基于SSPP的波导带通滤波器的制备工艺包括：先使用铣刀机械加工获得WR-4波导1，采用高速铣刀加工，对WR-4波导1进行E面中心剖分；然后采用50μm厚的铜箔为基底，使用激光蚀刻在铜箔上刻蚀出SSPP晶胞阵列的具体图案；最后将刻蚀后的铜箔置于WR-4波导1的E面中心，获得装配完成的波导带通滤波器。

本实施例提出的基于SSPP的波导带通滤波器的色散曲线如图7所示，频率响应曲线如图8所示，可见所得波导带通滤波器的3dB带宽为210GHz～235GHz，插入损耗约为-1dB，通带内S

图9为本实施例提出的基于SSPP的波导带通滤波器在220GHz下的电场分布图，可以看出所得波导带通滤波器在220GHz下传播经典的SPP表面波。

实施例2

本实施例提供了一种工作频率范围为132GHz～150GHz的基于SSPP的波导带通滤波器，包括WR-6波导8，以及位于WR-6波导8的E面中心的SSPP晶胞阵列。WR-6波导8的尺寸为1651μm×825μm。

所述波导带通滤波器的WR-6波导8的E面中心剖分面的三维图如图10所示，俯视图如图11所示，可见所述SSPP晶胞阵列为旋转对称结构，包括沿信号传输方向依次等周期排布的两级首端过渡SSPP晶胞(即第一级首端过渡SSPP晶胞2和第二级首端过渡SSPP晶胞3)、三级结构尺寸相同的传输SSPP晶胞4以及两级末端过渡SSPP晶胞(即第一级末端过渡SSPP晶胞5和第二级末端过渡SSPP晶胞6)。所述SSPP晶胞阵列的周期D

所述首端过渡SSPP晶胞、传输SSPP晶胞4和末端过渡SSPP晶胞均为旋转对称结构，具体为两侧长边开有L形凹槽9的矩形金属片状结构；其中，所述矩形金属片状结构的长边方向为WR-6波导8的短边方向，且长度L与WR-6波导8的短边尺寸相同，具体为825μm；矩形金属片状结构的宽度D为450μm，厚度为50μm；两个L形凹槽9的下底边相邻，且平行于矩形金属片状结构的宽边设置，上侧边平行于矩形金属片状结构的长边设置；对下底边两端做倒角处理，便于加工。

三级传输SSPP晶胞4的结构尺寸相同，如图12所示，L形凹槽9的下底边长度L

两级首端过渡SSPP晶胞与两级末端过渡SSPP晶胞中，第一级首端过渡SSPP晶胞2和第二级末端过渡SSPP晶胞6的结构尺寸相同，第二级首端过渡SSPP晶胞3和第一级末端过渡SSPP晶胞5的结构尺寸相同。

第一级首端过渡SSPP晶胞2和第二级末端过渡SSPP晶胞6中，如图13所示，L形凹槽9的下底边长度L

第二级首端过渡SSPP晶胞3和第一级末端过渡SSPP晶胞5中，如图14所示，L形凹槽9的下底边长度L

进而，所述SSPP晶胞阵列中SSPP晶胞的L形凹槽9下底边间距呈现先增大后减小的变化趋势，L形凹槽9下底边长度和上侧边长度也呈现先增大后减小的变化趋势。

本实施例提出的基于SSPP的波导带通滤波器的频率响应曲线如图15所示，可见所得波导带通滤波器的3dB带宽为132GHz～150GHz，插入损耗约为-1dB，通带内S

图16为本实施例提出的基于SSPP的波导带通滤波器在140GHz下的电场分布图，可以看出所得波导带通滤波器在140GHz下传播经典的SPP表面波。

实施例3

本实施例提供了一种基于SSPP的波导带通滤波器，其结构与实施例1相比，区别仅在于：不包括两级首端过渡SSPP晶胞和两级末端过渡SSPP晶胞，即SSPP晶胞阵列仅包括三级结构尺寸相同的传输SSPP晶胞4；其他结构相同。

图17为本实施例所得基于SSPP的波导带通滤波器随传输SSPP晶胞4的凹槽间距2G

图18为本实施例所得基于SSPP的波导带通滤波器随传输SSPP晶胞4的凹槽深度L

上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。