一種人工等離激元型微波帶通濾波器的研究

晏伯武

(湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 黃石 435003)

一種人工等離激元型微波帶通濾波器的研究

晏伯武

(湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 黃石 435003)

移動通訊需要大量用于微波選頻的高性能濾波器，隨著頻率的升高，迫使器件尺寸小型化，但小型化到一定的程度時(shí)，電磁干擾噪聲、RC延遲等達(dá)到極限導(dǎo)致器件不能穩(wěn)定工作，為此探索人工表面等離激元型微波器的設(shè)計(jì)和運(yùn)用具有較高的研究價(jià)值。通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一種金屬微帶加載的人工等離激元型微波帶通濾波器，采用時(shí)域有限差分方法對該樣品的濾波特性曲線進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明該濾波器通帶內(nèi)電磁場的分布主要局域于金屬微帶加載凹槽周圍，避免電磁場強(qiáng)烈反射，傳輸損耗低，大大提高了濾波器工作時(shí)的抗電磁干擾能力，表明人工等離激元型微波帶通濾波器得到較好的實(shí)現(xiàn)。

帶通濾波器;人工等離激元;傳輸損耗;電磁干擾

大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著信息需求量爆炸式地增長，移動通訊領(lǐng)域要求能制造出集成度更高的微波器件?，F(xiàn)今頻譜資源越來越擁擠，故對頻率的選擇要求更高，更需要大量用于選頻的高性能濾波器。然而隨著高頻集成電路尺寸的不斷縮小，技術(shù)上出現(xiàn)了一系列問題，如當(dāng)微波器件的尺寸小到一定的程度時(shí)，器件的電磁干擾噪聲、RC延遲等達(dá)到極限導(dǎo)致器件工作不穩(wěn)定，因此現(xiàn)有的微波器件已不能適應(yīng)當(dāng)今大規(guī)模微波集成電路的發(fā)展需求[1-3]。為了克服這一困難，采用表面等離激元型微波器件將是一種有效的解決方案。等離激元是固體中價(jià)電子相對于離子實(shí)的縱向振蕩波的量子，是固體中電子-電子互作用系統(tǒng)的集體性元激發(fā)。其主要特征是：在宏觀尺度上保持整體的電中性，平衡時(shí)各處的正、負(fù)電荷密度相等。而表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)則是高度束縛于介質(zhì)和金屬界面的表面電磁波，它在沿著金屬介質(zhì)表面上呈傳播態(tài)，而在金屬介質(zhì)界面的法向則呈指數(shù)衰減態(tài)。由于金屬中的等離激元共振頻率是處在可見光和紅外頻段，因此，SPPs電磁場最初只能用在光頻段來克服光的衍射極限和縮小光學(xué)器件的物理尺寸[4-6]。 可是，在低于光頻段的太赫茲和微波頻段，SPPs電磁場不能在介質(zhì)和金屬的界面上傳播，因?yàn)榇藭r(shí)的金屬具有大的負(fù)介電常數(shù)，類似理想導(dǎo)體的性質(zhì)，不能支持等離激元共振。這一困難直到2004年才由英國帝國理工大學(xué)的Pendry教授首次解決。他發(fā)明了一種周期性的金屬開槽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在微波頻段具有類似于光頻段的等離激元共振的特點(diǎn)，同樣具有截止頻率和色散特性，并具有將傳統(tǒng)Sommerfeld或Zenneck表面電磁場轉(zhuǎn)換為高度束縛的等離激元型電磁場的特點(diǎn)，因此，這種結(jié)構(gòu)又被稱為人工等離激元型電磁場(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)。 這種人工表面等離激元型微波器件將在傳感器、濾波器、功分器等諸多微波器件中得到良好的工程運(yùn)用，具有較高的研究價(jià)值[7-9]。

基于上述背景，設(shè)計(jì)提供了一種金屬微帶加載的人工等離激元型微波帶通濾波器，該濾波器具有傳輸損耗低、避免電磁場強(qiáng)烈反射和抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)了一種金屬微帶加載微波帶通濾波器。微波帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，介質(zhì)板(1)上設(shè)有金屬微帶(2)，共面波導(dǎo)段(4)經(jīng)過渡段(5)與人工表面等離激元段(6)連接。金屬微帶(2)的兩側(cè)設(shè)有金屬地(3)，其邊緣為指數(shù)型曲線，并滿足Y=h+g+w*(exp(a*(X-L1)/L2)-1)/(expa-1)的曲線方程。其中a為曲線形狀系數(shù)，其取值為5～20；h為金屬微帶寬度，其取值為5～8 mm；g為金屬微帶(2)與金屬地(3)的間距，其取值為0.3～1 mm；w為金屬地寬度，其取值為20～35 mm；L1為共面波導(dǎo)段的長度，其取值為5～15 mm；L2為過渡段長度，其取值為50～80 mm。人工表面等離激元段(6)上分布有金屬微帶加載凹槽(7)，其整體寬度w1的取值為2.0～5.0 mm；槽深w2的取值為3～6 mm；加載金屬微帶的線寬度w3的取值為0.2～1.0 mm；線長度L4的取值為3.0～8.0 mm；金屬微帶加載凹槽的周期p為3～8 mm。加載凹槽在過渡段(5)上則采用深度漸變的設(shè)計(jì)。

在微波濾波器的共面波導(dǎo)段，電磁場為準(zhǔn)TEM波。我們把電磁波在傳播方向上沒有電場和磁場分量稱為橫電磁波TEM(Transverse Electric and Magnetic Field)，如設(shè)定電磁波為z方向，那么電磁波的電場和磁場將沒有z方向的分量，而實(shí)際的共面波導(dǎo)中，由于電磁場的邊緣效應(yīng)，允許少量的Ez、Hz分量的存在，因此，其電磁波模式是準(zhǔn)TEM模式。整體濾波器的設(shè)計(jì)原理如下：準(zhǔn)TEM模式的電磁場由左邊的共面波導(dǎo)段(4)傳輸?shù)竭^渡段(5)，在過渡段(5)中逐漸漸變?yōu)镾SPPs模式的電磁場，且在過渡段(5)中準(zhǔn)TEM模式和SSPPs模式的電磁場共存，當(dāng)電磁場到達(dá)人工表面等離激元段(6)時(shí)，完全轉(zhuǎn)化為SSPPs模式的電磁場，并在L3波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸，傳輸后SSPPs模式電磁場又經(jīng)過右邊的過渡段轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)TEM模式的電磁場，由右邊的共面波導(dǎo)段輸出。當(dāng)電磁場在共面波導(dǎo)段(4)傳播，該段內(nèi)電磁場的模式為準(zhǔn)TEM模式，該模式電磁場被束縛在共面波導(dǎo)段(4)與金屬地(3)間的介質(zhì)板內(nèi)；在過渡段(5)傳播時(shí)，該段內(nèi)準(zhǔn)TEM模式與SSPPs模式共存，其中準(zhǔn)TEM模式電磁場被束縛在過渡段(5)與金屬地(3)間的介質(zhì)板內(nèi)，SSPPs模式電磁場則大部分被束縛在金屬微帶加載凹槽周圍，而電磁場在L3中進(jìn)行傳播時(shí)，該段內(nèi)為SSPPs模式，所以該模式電磁場被束縛在金屬微帶加載凹槽中。

圖1 微波帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)金屬微帶加載凹槽(7)的整體寬度w1的取值為2.0～5.0 mm、槽深w2的取值為3～6 mm、加載金屬微帶的線寬度w3的取值為0.2～1.0 mm、線長度L4的取值為3.0～8.0 mm、金屬微帶加載凹槽周期p為3～8 mm時(shí)，金屬微帶加載對電磁場具有很好的束縛效果。微波濾波器樣品各部分參數(shù)見表1。

表1 微波濾波器樣品各部分參數(shù) mm

2 結(jié)果與討論

上述濾波器的介質(zhì)板選用介電常數(shù)為2.65的基片，采用時(shí)域有限差分方法對該樣品的濾波特性曲線進(jìn)行計(jì)算，帶通濾波器的S參數(shù)曲線如圖2所示。圖2中S11為濾波器反射系數(shù)，S21為濾波器傳輸系數(shù)，該樣品為帶通濾波，其-3 dB通帶為2.186～4.134 GHz，樣品在整個(gè)通帶內(nèi)紋波抖動優(yōu)于1.5 dB，通帶內(nèi)反射小于-15 dB。

圖2 帶通濾波器的S參數(shù)曲線圖

為了對比說明該濾波器過渡段的重要作用，又設(shè)計(jì)了一個(gè)不含過渡段L2的濾波器，其介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.65，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)同表1；采用時(shí)域有限差分計(jì)算該濾波器的反射特性曲線。濾波器中不采用過渡段的S參數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 濾波器中不采用過渡段的S參數(shù)曲線圖

由圖3得知，該濾波器通帶內(nèi)反射系數(shù)大大超過-10 dB。由圖2和圖3對比可知，過渡段使該樣品的反射特性得到有效改善。

本設(shè)計(jì)的濾波器在共面波導(dǎo)段(4)(以下用其長度符號L1替代)和人工表面等離激元段(以下用其長度符號L3替代)間設(shè)置過渡段(以下用其長度符號L2替代)。通過該結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電磁場在L1和L3中傳播的平穩(wěn)過渡，避免了電磁場由準(zhǔn)TEM模式轉(zhuǎn)化為SSPPs模式傳播時(shí)因模式和阻抗不匹配而出現(xiàn)的強(qiáng)烈的微波電場反射；當(dāng)處于L2位置的金屬地的邊緣滿足指數(shù)曲線方程Y=h+g+w×(exp(a×(X-L1)/L2)-1)/(exp(a)-1)，且曲線形狀系數(shù)a為5～20、金屬微帶寬度h為5～8 mm、金屬微帶(2)與金屬地(3)間距g為0.3～1 mm、金屬地寬度w為20～35 mm、共面波導(dǎo)段長度L1為5～15 mm，過渡段長度L2為50～80 mm時(shí)，磁場傳播的過渡最平穩(wěn)。不僅如此，本設(shè)計(jì)的濾波器在L2上還設(shè)有深度漸變的金屬微帶加載,通過該結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)TEM模式向SSPPs模式的過渡，減少微波電場反射。

此外，本濾波器在L3上設(shè)置一系列的金屬微帶加載，通過該結(jié)構(gòu)使得電磁場在傳輸時(shí)被束縛在金屬微帶加載凹槽內(nèi)部，從而大大降低了多條傳輸線傳輸時(shí)因間距太小而出現(xiàn)的電磁干擾，使得抗干擾能力大大增強(qiáng)，同時(shí)也增強(qiáng)了高密度微波集成電路工作時(shí)的穩(wěn)定性。不僅如此，因抗電磁干擾能力大大增強(qiáng)，本設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)還能減小微波集成電路金屬微帶間的間距以實(shí)現(xiàn)器件的小型化，因而能更好地適應(yīng)當(dāng)今大規(guī)模微波集成電路的發(fā)展。本濾波器還能通過調(diào)節(jié)金屬微帶加載凹槽的幾何尺寸來調(diào)控微波傳輸線的截止頻率和電磁場分布，同時(shí)調(diào)整電磁波的束縛效果。

對圖2中濾波器工作于3 GHz時(shí)的表面電場分布做了時(shí)域有限差分計(jì)算，其結(jié)果表明，該濾波器通帶內(nèi)電磁場的分布主要局域于金屬微帶加載凹槽上，大大提高了濾波器工作時(shí)的抗電磁干擾能力。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種人工等離激元型微波帶通濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)可分為3段，第1段為共面波導(dǎo)段，作為微波信號的輸入/輸出；第2段為過渡段，其上設(shè)有深度漸變的金屬微帶加載，以及采用具有指數(shù)函數(shù)形式的金屬地結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可很好地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)TEM模式向SSPPs模式的平穩(wěn)過渡，減少微波電場反射；第3段為人工等離激元段，其上設(shè)置一系列的金屬微帶加載，通過該結(jié)構(gòu)，使得電磁場在傳輸時(shí)被束縛在金屬微帶加載凹槽內(nèi)部，從而大大降低了多條傳輸線傳輸時(shí)因間距太小而出現(xiàn)的電磁干擾，使得抗干擾能力大大增強(qiáng)。本濾波器還能通過調(diào)節(jié)金屬微帶加載凹槽的幾何尺寸來調(diào)控微波傳輸線的截止頻率和電磁場分布，同時(shí)調(diào)整電磁波的束縛效果。

[1] Gao X,Zhou L,Liao Z,et al.An ultra-wideband surface plasmonic filter in microwave frequency[J].Applied Physics Letters,2014,104 (19):175-179.

[2] Zhang HC,Cui TJ,Zhang Q,et al.Breaking the challenge of signal integrity using time-domain spoof surface plasmon polaritons[J].ACS Photonics,2015,2:1333-1340.

[3] Xu JJ,Zhang HC,Zhang Q,et al.Efficient conversion of surface-plasmon-like modes to spatial radiated modes[J].Applied Physics Letters,2015,106(2):10681.

[4] Jones AC,Olmon RL,Skrabalak SE,et al.Mid-IR plasmonics:near-field imaging of coherent plasmon modes of silver nanowires[J].Nano Letters,2009,9(7):2553-2558.

[5] Anker JN,Hall WP,Lyandres WP,et al.Biosensing with plasmonic nanosensors[J].Nature Materials,2008,7,442-453.

[6] Ode K,Mai H,Takashima Y,et al.Highly sensitive plasmonic optical sensors based on gold core-satellite nanostructures immobilized on glass substrates[J].Acs Applied Materials & Interfaces,2016,8(32):20522-20526.

[7] Ma HF,Shen X,Cheng Q,et al.Broadband and high-efficiency conversion from guided waves to spoof surface plasmon polaritons[J].Laser and Photonics Reviews.2014,8(1):146-151.

[8] Zhang HC,Cui TJ,Zhang Q,et al.Breaking the challenge of signal integrity using time-domain spoof surface plasmon polaritons[J].ACS Photonics,2015,2,1333-1340.

[9] Wu JJ,Hou DJ,Liu K,et al.Differential microstrip lines with reduced crosstalk and common mode effect based on spoof surface plasmon polaritons[J].Optics Express,2014,22(22):26777-26787.

(責(zé)任編輯吳鴻霞)

Research on a Novel Artificial Plasmonic Microwave Band-pass Filter

YanBowu

(School of Computer,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

A large number of high performance filters in the microwave region are needed in the field of mobile communications.With the increasing of frequency,device sizes have to be miniaturized.When the device is miniaturized to some certain extent,electromagnetic interference noise,or RC delay gets to certain limit,the devices are unable to work steadily.The design and applications of artificial plasmonic microwave band-pass filter have great research value.Through the special structure design,a novel with metal microstrip loaded artificial plasmon type microwave band-pass filter is designed.The filtering characteristic curve of the sample is calculated by the finite difference time domain method,as well.The results show that the distribution of electromagnetic field in the passband of the filter is mainly localized around the metal loaded groove,the filter can realize the characteristics of low transmission loss,strong capability to avoid the large reflection of electromagnetic field and the capability of anti-electromagnetic interference, which shows that the artificial plasmon type microwave band-pass filter is well implemented.

band-pass filter;artificial plasmon;transmission loss;electromagnetic interference

2017-05-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51567017)；湖北省教育廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：D20123002)。

晏伯武，教授，博士，研究方向：微電子與固體電子學(xué)。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.001

TN713

：A

：2095-4565(2017)04-0001-04