[发明专利]一种基于人工表面等离激元的可调带阻滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调带阻滤波器，特别是一种基于人工表面等离激元的可调带阻滤波器。

背景技术

微波滤波器作为通信系统、雷达系统、测量系统中基本的器件之一，其性能会影响到整个通信系统的质量。在日益拥挤的无线频谱资源和复杂的电磁环境下，近年来无线通信领域的一个研究热点是如何有效利用频谱资源。为了解决这一问题且满足现代通讯系统对设备“灵活多变”的需要，电控技术应运而生。一般情况下，制作一个电调谐滤波器，需要将有源开关或可调器件，如PIN管、变容二极管，或其他以功能材料为基础的元件，包括铁电变容二极管，把它们集成在无源器件中，从而通过调控外界电压，实现滤波频率的变换。电调谐滤波器具有结构简单,调谐速度快等优良特性。

利用结构化金属表面把电磁波强束缚在导体表面的早期工作可以追溯到上世纪五、六十年代，研究人员利用皱褶的金属表面在微波段实现电磁表面波的传输。2005年，英国帝国理工大学的John B.Pendry教授及其合作者首次提出了人工表面等离激元的概念，指出二维周期挖孔的结构化金属表面具有与光波段金属结构表面等离激元相似的色散特性，能够把电磁波约束在金属/介质界面远小于波长的范围内传输。这种结构化金属表面的等效等离子体频率仅与表面结构的几何参数有关，可以拓展到远红外、太赫兹和微波波段。继John B.Pendry的工作之后，英国埃克塞特大学的A.P.Hibbins等和巴斯大学的C.R.Williams等人先后在微波和太赫兹波段实验验证了人工表面等离激元的存在。通过改变金属表面的结构参数来人为控制人工表面等离子体频率，使其延伸到太赫兹和微波段，实现对太赫兹波和微波的强束缚，为在低频段(远红外、太赫兹、微波波段)金属表面上实现亚波长波的传输和局域开辟了一条有效途径。基于这种周期性光栅导波结构，我们提出了一种人工表面等离激元带阻滤波器设计。这种滤波器结构相比传统的滤波器结构更加紧凑，而且结构简单，具有柔性，更易于与集成到微波集成电路中。

发明内容

本发明的目的是要提供一种结构简单,调谐速度快的基于人工表面等离激元的可调带阻滤波器

本发明的目的是这样实现的：该可调带阻滤波器包括：介质基板和两端的端口；还包括周期性直金属光栅、两个相同的加载变容二极管的金属开口谐振环、共面波导和耦合结构；

所述周期性直金属光栅波导由中间向两端分别连接耦合结构和共面波导；两个相同的加载变容二极管的金属开口谐振环与周期性直金属光栅组合构成可调谐结构；所述共面波导为导波传输结构；所述耦合结构为耦合器，耦合结构由槽深渐变的周期性金属光栅和弧线形状的金属导体组成；所述周期性直金属光栅为槽深相同、周期一致的人工表面等离激元传输结构；两个相同的加载变容二极管的金属开口谐振环以相同的形式印制在介质基板正面；所述周期性直金属光栅两端顺序与耦合结构和共面波导连接的结构，印制在介质基板正面；

所述的人工表面等离激元传输器由周期性排列的金属单元组成；所述金属单元为金属薄膜；所述金属单元的形状为矩形，每个金属单元的长度和宽度均相同；所述金属单元上均设置有垂直于人工表面等离激元传输器长度方向的凹槽；所述凹槽位于人工表面等离激元传输器的同侧，凹槽的宽度和深度均相同。

进一步的，两个相同加载变容二极管的金属环开口谐振环是方形开口环，并且方形开口环的开口与直金属光栅凹槽开口相对放置，方形开口环开口底边与凹槽底边和凹槽两侧边的间隙相同；通过控制直金属光栅结构的表面凹槽深度、宽度和周期性来改变金属表面的色散曲线，设计满足工作频段的金属光栅结构。

进一步的，所述加载变容二极管以焊接方式加载到金属开口谐振环构成可调谐结构；耦合结构实现了由传统共面波导到由单导线光栅结构的高效匹配，实现了导波到等离子激元之间的高效转换和传输。

进一步的，加载变容二极管的金属开口谐振环为亚波长可调谐结构，两谐振环中心间距为三以上整数倍的金属单元长度，以削弱两环之间的相互干扰。

进一步的，所述周期性金属光栅波导为单边开有周期性光栅结构的金属结构，支持人工表面等离激元的高效传输。

进一步的，所述共面波导为双导线结构，中间导体与两侧导体间距不相等，支持导波模式。

进一步的，通过给变容二极管加载直流偏置电压，改变谐振环的谐振频率，实现带阻滤波器中心频率可调。

进一步的，双波段可调带阻滤波器以印刷电路板的方式制作在介质基板上，其中介质基板的另一面为不覆铜的光板。