[发明专利]基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器及其工作方法

说明书

本发明公开了一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，包括第一导通块和第二导通块；第一导通块为下端面开口的空心等腰梯形块；第二导通块为两端开口的空心长方体，其一个侧面的中心设有和第一导通块下端面形状相同的通孔；通孔上周期性的设有若干和第一导通块开口处端面平行的金属条；第一导通块下端面的四边和通孔的四边无缝固连，第二导通块的一个开口端面作为导波信号的输入端、另一个开口端面作为输出端。工作时，将波导信号从TE10模式转换成等效表面等离子激元，在等离子波导内以束缚态高效快速传输后，再次转换成TE10模式输出。本发明尺寸小、结构简单、方便集成且应用广泛，在宽带内支持等效表面等离激元的高效传输。

技术领域

本发明涉及导波结构技术领域，尤其涉及一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器及其工作方法。

背景技术

表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,简称SPPs)是金属表面自由电子和入射光子相互耦合形成的一种非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质界面传播的一种电磁波。当电磁波入射到金属与介质交界面时,在其交界面会产生表面电磁波振荡,其振幅在界面上最强,离开界面后在金属和介质内呈指数衰减。SPPs对电磁场的高度束缚特性使其可突破衍射极限，实现电磁场的亚波长约束，同时可在纳米尺度上实现电磁能量的局域汇聚放大。

为了在低频段(微波或太赫兹波段)实现类似于光波段的SPPs现象并利用其优越性能设计低频段的等离子超材料器件，2004年，Pendry等人提出一种金属人工表面和人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,简称SSPPs)的概念。在微波或太赫兹波段，金属一般被视为理想导体，光滑的金属表面是完全不能传输SPPs的，然而，在金属表面刻蚀周期性分布的孔洞后，其表面可以传播类似光波段SPPs的电磁模式，从而等效地降低了金属表层的等离子频率，首次解决了低频段SPPs无法产生的关键性难题。2016年，宾西法利亚大学的Engheta教授等人提出等效表面等离子激元(Effective Surface PlasmonPolaritons,简称ESPPs)的概念，在金属波导中，如平行板波导、矩形波导、圆波导等，能在低频段实现一种结构色散诱导的ESPPs。光波段产生的SPPs源于金属在光波段表现出负介电常数，金属和空气分界面两边介电常数实部符号相反。根据等效媒质理论，金属壁波导内填充介质的等效介电常数可以通过改变波导的端口尺寸，介质的相对介电常数和工作频率来任意调控，当波导不同填充介质等效介电常数实部表现出异号时，在介质分界面上就可以发现类似于光频段SPPs的电磁模式。ESPPs概念的提出，相较于SSPPs而言，不仅消除了金属损耗对信号传输的影响，而且免去了周期结构的设计，降低了结构设计的复杂度。

近几年，许多基于SSPPs的不同性能滤波器涌现出来，包括低通滤波器、带通、带阻滤波器等等。为了解决SSPPs滤波器的损耗和结构复杂度高的问题，我们利用ESPPs相较于SSPPs的优势，将ESPPs的优异特性应用到滤波器的设计中，用一种新颖的方式实现了微波滤波器的构建。ESPPs色散特性具有以下特点：ESPPs在渐进频率附近具有很强的场约束性和场增强性；一旦频率高于渐近频率，ESPPs便会截止。由于传统的矩形波导的传输特点就类似于一个高通滤波器，我们可以利用ESPPs的截止特性，设计一个新型的宽频带矩形波导带通滤波器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中基于SSPPs的滤波器的损耗和结构复杂度高的问题，提供一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器及其工作方法，模型结构简单，显著降低滤波器的损耗和结构复杂度，实现滤波器的高效宽带滤波。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于等效表面等离子激元的宽带带通滤波器，包括第一导通块和第二导通块；

所述第一导通块为下端面开口的空心等腰梯形块，包含一个矩形的上端面、两个矩形的斜面、两个等腰梯形的侧面和一个开口的下端面；