基于人工表面等離子體激元的小型化低通雙陷波濾波器

張 勝,于夢(mèng)杰,解 鑫,李大妮,曹為為,程德強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

人工表面等離子體激元(SSPPs)是一種在周期性金屬結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?其固有的慢波特性有利于設(shè)計(jì)各種不同特性的微波濾波器?；赟SPPs的濾波器可分為帶通濾波器[1-3]、陷波濾波器[4-6]和其他類型濾波器[7]3類。其中,陷波濾波器的阻帶極窄,可消除單個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)。因此,陷波濾波器具有抗干擾作用,可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星和無(wú)線通信系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)的SSPPs陷波濾波大多為單陷波,陷波抑制有限,同時(shí)傳統(tǒng)的SSPPs模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,導(dǎo)致濾波器的尺寸過大,難以實(shí)現(xiàn)小型化。因此,如何實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化和高性能多陷波抑制是一個(gè)熱門話題。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種新型單環(huán)開口諧振器的陷波濾波器,但僅能實(shí)現(xiàn)單陷波抑制功能。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于SSPPs波導(dǎo)的陷波濾波器,可以實(shí)現(xiàn)雙陷波抑制功能,但其模式轉(zhuǎn)換部分采用擴(kuò)口地結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其整體尺寸過大。文獻(xiàn)[10]中去除了擴(kuò)口地結(jié)構(gòu),減小了尺寸,可實(shí)現(xiàn)雙陷波抑制,但通帶內(nèi)損耗較大,傳輸效率較低。

本文以單邊復(fù)合周期的SSPPs單元為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款基于SSPPs低通濾波器,并在此基礎(chǔ)上引入兩種叉指諧振器,最終實(shí)現(xiàn)了小型化的SSPPs低通雙陷波濾波器。該濾波器去除了傳統(tǒng)模式的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),有效地減小了整體尺寸。此外,濾波器的兩個(gè)陷波可以獨(dú)立調(diào)節(jié),底部的叉指諧振器用于調(diào)節(jié)第一個(gè)陷波,而頂部的叉指諧振器用于調(diào)節(jié)第二個(gè)陷波。最后制作了濾波器的樣品并進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

1 濾波器的設(shè)計(jì)

1.1 SSPPs單元結(jié)構(gòu)分析

SSPPs固有的慢波特性可以通過其色散曲線呈現(xiàn),在同頻率下光波的波矢始終小于SSPPs的波矢。在金屬凹槽單元結(jié)構(gòu)傳播的SSPPs模式的色散關(guān)系[1]可表示為

(1)

式中:k為SSPPs波的傳播常數(shù);k0為自由空間波的相位常數(shù);p為單元結(jié)構(gòu)的周期;a,h分別為凹槽的寬度和深度。

本文所提復(fù)合周期SSPPs單元的色散曲線如圖1所示。隨著頻率的增大,SSPPs的色散曲線明顯偏離光的色散曲線,并逐漸趨向于截止頻率。由圖1可知,當(dāng)h1和h2存在高度差時(shí)(即復(fù)合周期SSPPs單元),其對(duì)應(yīng)的截止頻率低于傳統(tǒng)矩形單元的截止頻率。因此,本文所提復(fù)合周期SSPPs單元結(jié)構(gòu)有利于設(shè)計(jì)小型化濾波器。

圖1 復(fù)合周期SSPPs單元的色散曲線

1.2 低通濾波部分設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)SSPPs單元結(jié)構(gòu)的分析,本文設(shè)計(jì)的低通濾波部分如圖2所示。整個(gè)濾波器設(shè)計(jì)在單層F4B基板上,基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65,正切損耗為0.003,厚度為0.5 mm。該結(jié)構(gòu)的整體尺寸為8 mm×35.2 mm,分為饋電部分和SSPPs波導(dǎo)部分。其中SSPPs波導(dǎo)部分由復(fù)合周期的SSPPs單元組成。低通濾波部分的主要設(shè)計(jì)目標(biāo):-3 dB通帶范圍為0～8.3 GHz,帶內(nèi)的回波損耗S11優(yōu)于21 dB,帶外抑制優(yōu)于25 dB。低通濾波器的具體尺寸如表1所示。

表1 低通濾波器的尺寸值

圖2 低通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

由于SSPPs波導(dǎo)傳輸?shù)氖荰M模式,故需將微帶饋電的準(zhǔn)TEM模式轉(zhuǎn)換為TM模式。圖3為5 GHz時(shí)的電場(chǎng)矢量分布圖。由圖可看出,微帶線部分的電場(chǎng)矢量垂直分布,而SSPPs波導(dǎo)中的電場(chǎng)分布出現(xiàn)了橫向分量,說明實(shí)現(xiàn)了由微帶線到SSPPs波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換,從而去除了復(fù)雜的模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),有效地減小了濾波器總尺寸,有利于實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。

圖3 5 GHz時(shí)電場(chǎng)矢量分布圖

SSPPs低通濾波部分的通帶選擇性與SSPPs單元數(shù)量(m)有關(guān)。圖4為SSPPs低通濾波的S參數(shù)仿真結(jié)果。由圖可知,隨著SSPPs單元數(shù)量m的增加,帶外抑制增強(qiáng),但帶內(nèi)損耗變差。綜合這兩方面考慮,最終選擇SSPPs單元數(shù)量m=9,此時(shí)截止頻率為8.3 GHz,帶內(nèi)回波損耗S11優(yōu)于21 dB,插入損耗S21<0.9 dB,低通濾波器的通帶選擇性達(dá)到最優(yōu)。

圖4 SSPPs低通濾波的S參數(shù)仿真結(jié)果

1.3 低通雙陷波濾波器設(shè)計(jì)

在低通濾波部分的基礎(chǔ)上加載、刻蝕叉指諧振器,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)陷波特性,構(gòu)成了低通雙陷波濾波器,如圖5所示。圖5(a)中,在SSPPs單元的凹槽內(nèi)加載2個(gè)叉指電容負(fù)載環(huán)路諧振器,產(chǎn)生了1個(gè)陷波帶。圖5(b)中,通過在底部金屬板刻蝕縫隙的方式,刻蝕了3個(gè)叉指分裂環(huán)諧振器,產(chǎn)生了第二個(gè)陷波帶。

圖5 濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

叉指諧振器的尺寸示意圖如圖6所示。叉指諧振器的具體尺寸如表2所示。在相同尺寸下,叉指諧振器比傳統(tǒng)諧振器具有更低的諧振頻率、更多的參數(shù)可調(diào)和諧振頻率更易調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)。這兩種叉指諧振器主要由叉指型短截線構(gòu)成,用來(lái)增強(qiáng)諧振器的有效電容C。電容C[2]為

表2 叉指諧振器的尺寸參數(shù)

圖6 叉指諧振器的尺寸示意圖

(2)

式中:l為叉指短截線的長(zhǎng)度;εre是寬度為w的微帶線的有效介電常數(shù);n為叉指數(shù)量;b,b′為橢圓積分比。由式(2)可知,l和n決定了C。因此,C值隨著l和n的改變而改變,諧振器的諧振頻率也隨之發(fā)生改變。

在本文低通雙陷波濾波器的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中,選擇n作為可調(diào)參數(shù),通過改變n調(diào)節(jié)陷波頻率。如圖7所示,隨著n增加,陷波的中心頻率逐漸減小,而另一陷波的中心頻率保持不變,從而證實(shí)了陷波濾波器的兩個(gè)陷波頻率可獨(dú)立調(diào)諧,且互不影響,而隨著n增加,通帶內(nèi)的插入損耗也將增加,從而影響了陷波的抑制性能,因此需要選擇合適的n來(lái)平衡濾波器陷波性能和帶內(nèi)插入損耗間的矛盾。最后,通過模擬優(yōu)化后的結(jié)果,分別選擇兩種叉指諧振器的n=6和n=8。

圖7 n對(duì)濾波器陷波性能的影響

2 仿真和測(cè)試結(jié)果分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果,對(duì)所提出的濾波器進(jìn)行了制作和測(cè)量,圖8為濾波器加工的實(shí)物圖。

圖8 濾波器的實(shí)物圖

圖9為濾波器S參數(shù)的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比。由圖可見,在0～8.3 GHz通帶范圍內(nèi),仿真結(jié)果的回波損耗S11優(yōu)于21 dB,而實(shí)測(cè)結(jié)果的回波損耗S11優(yōu)于16.6 dB,惡化了約4 dB。此外,實(shí)測(cè)結(jié)果的陷波抑制深度達(dá)到20 dB,略差于仿真結(jié)果,并且第二個(gè)陷波發(fā)生了輕微的左移。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的差異可能是由于濾波器的加工精度不足,以及焊接SMA接頭時(shí)造成的誤差,但仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果整體趨勢(shì)基本一致。

圖9 濾波器S參數(shù)的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的對(duì)比

為了直觀地觀察濾波器的SSPPs波傳播特性,模擬了通帶、陷波的5個(gè)頻率點(diǎn)的電場(chǎng)分布圖如圖10所示。

圖10 不同頻率下的模擬電場(chǎng)分布圖

圖10(a)、(b)為2個(gè)陷波頻率處的模擬電場(chǎng)分布,電場(chǎng)能量主要集中在叉指耦合諧振器的局部區(qū)域,不能通過SSPPs波導(dǎo)傳輸,表明兩個(gè)陷波由叉指諧振器的耦合諧振產(chǎn)生。圖10(c)～(e)為通帶內(nèi)3個(gè)不同頻率處的模擬電場(chǎng)分布。由圖可看出,3個(gè)頻率下從輸入端口傳輸?shù)捷敵龆丝陔妶?chǎng)能量損耗較低,支持SSPPs模式的傳播,具有良好的通帶傳輸性能。

表3為本文濾波器和其他文獻(xiàn)SSPPs陷波濾波器的性能比較。由表可見,本文提出的濾波器具有較高的通帶傳輸效率和較深的陷波抑制,且尺寸較小。

表3 陷波濾波器的性能對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種陷波可獨(dú)立調(diào)節(jié)的SSPPs低通雙陷波濾波器。在單邊復(fù)合周期SSPPs波導(dǎo)的基礎(chǔ)上引入兩種叉指諧振器,產(chǎn)生了兩個(gè)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的陷波。該濾波器去除了模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),尺寸較小。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果均表明,該濾波器在通帶內(nèi)有較高的傳輸效率,回波損耗優(yōu)于16.6 dB,且兩個(gè)陷波都有較好的抑制特性。此外,該濾波器具有成本低、小型化和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),有利于無(wú)線通信系統(tǒng)的集成化,在衛(wèi)星和無(wú)線通信系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。