本發(fā)明涉及一種人工表面等離激元型微波帶通濾波器，更具體地說，尤其涉及一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器。

背景技術(shù)：

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，信息的需求量呈爆炸式增長，移動通訊領(lǐng)域要求能制造出集成度更高的微波器件，然而隨著微波集成電路尺寸的不斷縮小，技術(shù)上出現(xiàn)了一系列問題，例如當微波傳輸線線間距小到一定的程度，器件的電磁干擾噪聲，RC延遲等達到極限導(dǎo)致微波器件工作不穩(wěn)定。人工表面等離激元型微波器件相比于普通的微波介質(zhì)器件，具有特殊的性質(zhì)，例如它能把微波局域在亞波長尺寸，從而具有更強的抗電磁干擾能力、更高靈敏度和更大的帶寬優(yōu)勢，并能突破衍射極限實現(xiàn)器件的小型化(如納米尺寸)等，因此，基于人工表面等離激元型濾波器件能很好滿足下一代微波通信的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器，該微波帶通濾波器具有低傳輸損耗、帶寬可調(diào)、避免電磁場強烈反射和抗電磁干擾能力強的特點。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器，其中，包括由平衡設(shè)置的上介質(zhì)片和下介質(zhì)片間形成的濾波腔，在所述上介質(zhì)片底面微波輸入端和微波輸出端設(shè)有微帶波導(dǎo)面，在所述上介質(zhì)片底面的中部設(shè)有人工表面等離激元面，所述微帶波導(dǎo)面為沿微波傳送方向設(shè)置的指數(shù)型曲線結(jié)構(gòu)的曲面，所述的人工表面等離激元面為在上介質(zhì)片垂直微波傳送方向設(shè)置的多個濾波凸槽，所述濾波凸槽的截面為朝下介質(zhì)片凸起的橢圓??；在所述的下介質(zhì)片上設(shè)有諧振微帶。

進一步的，在所述的微帶波導(dǎo)面與人工表面等離激元面之間設(shè)有過渡面連接。

進一步的，所述的過渡面為在上介質(zhì)片垂直微波傳送方向設(shè)置的多個過渡凸槽，所述過渡凸槽的截面為朝下介質(zhì)片凸起的橢圓弧，所述過渡凸槽的槽面高度從微帶波導(dǎo)面往人工表面等離激元面逐漸增加。

進一步的，多個所述的濾波凸槽均勻設(shè)置，所述的濾波凸槽的槽口寬度為2～8mm，所述的濾波凸槽的高度為1.5～9mm，相鄰兩個濾波凸槽間的距離為2～8mm。

進一步的，所述的微帶波導(dǎo)面的指數(shù)曲線方程為：

y＝u1+u*(exp(k*x/(L1+L2))-1)/(exp(k)-1)

其中u1為指數(shù)曲線位置系數(shù)，其取值為1～10mm，u、k均為指數(shù)曲線形狀系數(shù)，u的取值為0.5～4mm，k的取值為2～30mm，L1為微帶波導(dǎo)面沿微波傳送方向的長度，L2為過渡面沿微波傳送方向的長度,L3為人工表面等離激元面的長度。

進一步的，所述的諧振微帶為分別設(shè)置在微波輸入端和微波輸出端的微帶波導(dǎo)面與過渡面連接部垂直投影至下介質(zhì)片處的四分之一波長諧振器。

進一步的，所述的四分之一波長諧振器中部對折，對折的所述四分之一波長諧振器中間留有耦合縫隙，所述的四分之一波長諧振器的長度為2～6mm，所述的四分之一波長諧振器的寬度為0.05～0.3mm，所述的耦合縫隙寬度為0.1～0.5mm。

進一步的，所述上介質(zhì)片底面垂直微波傳送方向的兩端為橢圓曲線面，所述橢圓曲線面沿微波傳送方向的截面為橢圓弧，所述橢圓弧的曲線方程為：

其中a為橢圓弧的短軸半徑，其取值為1～12mm；b1為上邊緣橢圓弧中心的縱坐標，其取值為0.1～15mm；w為橢圓弧的位置系數(shù)，其取值為5～15mm；L1取值為5～15mm，L2取值為15～35mm，L3取值為60～185mm。

進一步的，多個所述的過渡凸槽均勻設(shè)置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為：

本發(fā)明的一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器，其中，包括由平衡設(shè)置的上介質(zhì)片和下介質(zhì)片間形成的濾波腔，在上介質(zhì)片底面微波輸入端和微波輸出端設(shè)有微帶波導(dǎo)面，在上介質(zhì)片底面的中部設(shè)有人工表面等離激元面，微帶波導(dǎo)面為沿微波傳送方向設(shè)置的指數(shù)型曲線結(jié)構(gòu)的曲面，人工表面等離激元面為在上介質(zhì)片垂直微波傳送方向設(shè)置的多個濾波凸槽，濾波凸槽的截面為朝下介質(zhì)片凸起的橢圓弧；在下介質(zhì)片上設(shè)有諧振微帶。在人工表面等離激元面上設(shè)置多個濾波凸槽，濾波凸槽的截面為朝下介質(zhì)片凸起的橢圓弧，使得電磁場在傳輸時被束縛在橢圓弧的濾波凸槽周圍，從而大大降低了多條傳輸線傳輸時因間距太小而出現(xiàn)的電磁干擾，使得傳輸線抗干擾能力大大增強，同時也增強了高密度微波集成電路工作時的穩(wěn)定性。不僅如此，因抗電磁干擾能力大大增強，本發(fā)明還能減小微波集成電路的金屬微帶間的間距以實現(xiàn)器件的小型化，因而能更好地適應(yīng)當今大規(guī)模微波集成電路的發(fā)展。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的俯視圖；

圖2是本發(fā)明A處的剖面圖；

圖3是本發(fā)明B處的剖面圖；

圖4是不同高度濾波凸槽的法線方向電場分布圖；

圖5是不同長度四分之一波長諧振器的法線方向電場分布圖；

圖6是本發(fā)明具體實施例1的S參數(shù)特性曲線圖；

圖7是本發(fā)明具體實施例1的法線方向電場分布圖；

圖8是本發(fā)明具體實施例2的S參數(shù)特性曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的詳細說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。

參照圖1至3所示，本發(fā)明的一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器，其中，包括由平衡設(shè)置的上介質(zhì)片1和下介質(zhì)片2間形成的濾波腔，在所述上介質(zhì)片1底面微波輸入端和微波輸出端設(shè)有微帶波導(dǎo)面3，在所述上介質(zhì)片1底面的中部設(shè)有人工表面等離激元面4，所述微帶波導(dǎo)面3為沿微波傳送方向設(shè)置的指數(shù)型曲線結(jié)構(gòu)的曲面，所述的濾波凸槽面3為在上介質(zhì)片1垂直微波傳送方向設(shè)置的多個濾波凸槽6，所述濾波凸槽6的截面為朝下介質(zhì)片2凸起的橢圓??；在所述的下介質(zhì)片2上設(shè)有諧振微帶8。本發(fā)明的濾波器通過在人工表面等離激元面4上設(shè)置多個濾波凸槽6，濾波凸槽6的截面為朝下介質(zhì)片2凸起的橢圓弧，使得電磁場在傳輸時被束縛在橢圓弧的濾波凸槽6周圍，從而大大降低了多條傳輸線傳輸時因間距太小而出現(xiàn)的電磁干擾，使得傳輸線抗干擾能力大大增強，同時也增強了高密度微波集成電路工作時的穩(wěn)定性。不僅如此，因抗電磁干擾能力大大增強，本發(fā)明的濾波器還能減小微波集成電路的金屬微帶間的間距以實現(xiàn)器件的小型化，因而能更好地適應(yīng)當今大規(guī)模微波集成電路的發(fā)展。

在所述的微帶波導(dǎo)面3與人工表面等離激元面4之間設(shè)有過渡面5連接。所述的過渡面5為在上介質(zhì)片1垂直微波傳送方向設(shè)置的多個過渡凸槽7，所述過渡凸槽7的截面為朝下介質(zhì)片2凸起的橢圓弧，所述過渡凸槽7的槽面高度從微帶波導(dǎo)面3往人工表面等離激元面4逐漸增加。利用過渡面5實現(xiàn)準TEM模式向SSPPs模式的過渡，以減少微波電場反射。多個所述的過渡凸槽7均勻設(shè)置，使準TEM模式向SSPPs模式過渡的過渡效果更好。

多個所述的濾波凸槽6均勻設(shè)置，所述的濾波凸槽6的槽口寬度為2～8mm，所述的濾波凸槽6的高度為1.5～9mm，相鄰兩個濾波凸槽6間的距離為2～8mm，通過設(shè)置濾波凸槽6可以緊密的束縛電磁場，并產(chǎn)生高頻截止頻率。

所述的微帶波導(dǎo)面3的指數(shù)曲線方程為：

y＝u1+u*(exp(k*x/(L1+L2))-1)/(exp(k)-1)

其中u1為指數(shù)曲線位置系數(shù)，其取值為1～10mm，u、k均為指數(shù)曲線形狀系數(shù)，u的取值為0.5～4mm，k的取值為2～30mm，L1為微帶波導(dǎo)面3沿微波傳送方向的長度，L2為過渡面5沿微波傳送方向的長度,L3為人工表面等離激元面4的長度，將微帶波導(dǎo)面3設(shè)置為該指數(shù)曲線，可以實現(xiàn)濾波器良好的阻抗匹配和模式匹配。

所述的諧振微帶8為分別設(shè)置在微波輸入端和微波輸出端的微帶波導(dǎo)面3與過渡面5連接部垂直投影至下介質(zhì)片2處的四分之一波長諧振器。

所述的四分之一波長諧振器中部對折，對折的所述四分之一波長諧振器中間留有耦合縫隙9，所述的四分之一波長諧振器的長度為2～6mm，所述的四分之一波長諧振器的寬度為0.05～0.3mm，所述的耦合縫隙9寬度為0.1～0.5mm，通過設(shè)置該四分之一波長諧振器可有效地在濾波器的上阻帶產(chǎn)生傳輸零點，從而調(diào)控濾波器的通帶范圍。

所述上介質(zhì)片1底面垂直微波傳送方向的兩端為橢圓曲線面10，所述橢圓曲線面10沿微波傳送方向的截面為橢圓弧，所述橢圓弧的曲線方程為：

其中a為橢圓弧的短軸半徑，其取值為1～12mm；b1為上邊緣橢圓弧中心的縱坐標，其取值為0.1～15mm；w為橢圓弧的位置系數(shù)，其取值為5～15mm；L1取值為5～15mm，L2取值為15～35mm，L3取值為60～185mm，通過將介質(zhì)片1底面垂直微波傳送方向的兩端設(shè)置為橢圓曲線面10，可以使濾波器實現(xiàn)良好的阻抗和模式匹配。

本發(fā)明的一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器的工作原理為：將準TEM模式的電磁場由輸入端的微帶波導(dǎo)面3傳輸?shù)竭^渡面5，在過渡面5中逐漸漸變?yōu)镾SPPs模式的電磁場，并且在過渡面5中準TEM模式和SSPPs模式的電磁場共存，當電磁場到達人工表面等離激元面4時，完全轉(zhuǎn)化為SSPPs模式的電磁場，并在人工表面等離激元面4內(nèi)傳輸，傳輸后SSPPs模式電磁場又經(jīng)過過渡面5轉(zhuǎn)化為準TEM模式的電磁場由輸出端的微帶波導(dǎo)面3輸出。當電磁場從微帶波導(dǎo)面3傳入時，該段內(nèi)電磁場的模式為準TEM模式，該模式電磁場被束縛在微帶波導(dǎo)面3與橢圓曲線面10之間的上介質(zhì)片1和下介質(zhì)片2內(nèi)；當電磁場進入過渡面5時，該段內(nèi)準TEM模式與SSPPs模式共存，其中準TEM模式電磁場被束縛在過渡面5與橢圓曲線面10之間的上介質(zhì)片1和下介質(zhì)片2內(nèi)，SSPPs模式電磁場被束縛在橢圓弧的過渡凸槽7周圍；當電磁場進入人工表面等離激元面4時，該段內(nèi)為SSPPs模式，該模式電磁場被束縛在橢圓弧的濾波凸槽6周圍。

本發(fā)明的一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器通過調(diào)節(jié)橢圓弧的濾波凸槽6的幾何尺寸來調(diào)控微波濾波器下阻帶的截止頻率和電磁場分布，同時調(diào)整電磁波的束縛效果。申請人在進行大量試驗后發(fā)現(xiàn)，當w1為3～8mm、w2為5.5～8mm、p為3～8mm時，橢圓弧凹槽對電磁場具有很好的束縛效果。圖4是濾波凸槽6高度分別為6.24mm、6.44mm以及6.64mm的濾波器工作時的法線方向電場分布圖，根據(jù)圖4可得，濾波凸槽6高度的變化對下阻帶衰減極點的調(diào)控作用，隨著濾波凸槽6高度的增加，濾波器下的阻帶衰減極點的頻率不斷降低。圖5是四分之一波長諧振器長度分別為3.0mm、3.4mm以及4.0mm的濾波器工作時的法線方向電場分布圖，根據(jù)圖5可得，四分之一波長諧振器長度的變化對上阻帶衰減極點的調(diào)控作用，隨四分之一波長諧振器長度的減少，濾波器上阻帶衰減極點的頻率不斷增加。因此通過橢圓槽深和L4的變化，可以控制濾波器的帶寬。

實施例1

本實施例的一種具有橢圓弧凸槽結(jié)構(gòu)的帶寬可調(diào)微波濾波器，其中，包括由平衡設(shè)置的上介質(zhì)片1和下介質(zhì)片2間形成的濾波腔，在所述上介質(zhì)片1底面微波輸入端和微波輸出端設(shè)有微帶波導(dǎo)面3，在所述上介質(zhì)片1底面的中部設(shè)有人工表面等離激元面4，所述微帶波導(dǎo)面3為沿微波傳送方向設(shè)置的指數(shù)型曲線結(jié)構(gòu)的曲面，所述的濾波凸槽面3為在上介質(zhì)片1垂直微波傳送方向設(shè)置的多個濾波凸槽6，所述濾波凸槽6的截面為朝下介質(zhì)片2凸起的橢圓??；在所述的下介質(zhì)片2上設(shè)有諧振微帶8。在所述的微帶波導(dǎo)面3與人工表面等離激元面4之間設(shè)有過渡面5連接。所述的過渡面5為在上介質(zhì)片1垂直微波傳送方向設(shè)置的多個過渡凸槽7，所述過渡凸槽7的截面為朝下介質(zhì)片2凸起的橢圓弧，所述過渡凸槽7的槽面高度從微帶波導(dǎo)面3往人工表面等離激元面4逐漸增加。

上介質(zhì)片1和下介質(zhì)片2均采用介電常數(shù)為2.65的基片，本實施例的微波濾波器各部分的物理尺寸數(shù)據(jù)如表一所示：

表一微波濾波器各部分物理尺寸(單位：mm)

物理尺寸數(shù)據(jù)如表一所示的微波濾波器的反射特性曲線經(jīng)時域有限差分計算如圖6所示，圖中S11為濾波器反射系數(shù)，S21為濾波器傳輸系數(shù)，物理尺寸數(shù)據(jù)如表一所示的微波濾波器為帶通濾波，其中心頻率為10.7912GHz，該處插入損耗為1.19dB，其-3dB通帶為8.8704GHz到12.712GHz，微波濾波器在整個通帶內(nèi)反射系數(shù)小于-10.0dB，紋波抖動低于0.83dB。物理尺寸數(shù)據(jù)如表一所示的微波濾波器工作于10GHz時得到的法線方向電場分布圖如圖7所示。根據(jù)圖7可得，該濾波器工作于通帶時，其電場主要束縛于橢圓弧的濾波凸槽6，擴散很小。

實施例2

本實施例的微波濾波器的結(jié)構(gòu)與實施例1的微波濾波器的結(jié)構(gòu)和功能基本相同，不同處是在本實施例中，所述的微帶波導(dǎo)面3與人工表面等離激元面4直接連接，本實施例的微波濾波器其他各部分的物理尺寸數(shù)據(jù)與表一相同。

本實施例的微波濾波器的反射特性曲線經(jīng)時域有限差分計算如圖8所示，本實施例的微波濾波器傳輸損耗、紋波抖動都較實施例1的微波濾波器大，而且通帶內(nèi)反射系數(shù)大大超過-10dB，。因此，由圖6和圖8對比可知，在所述的微帶波導(dǎo)面3與人工表面等離激元面4之間設(shè)置過渡面5連接，并且過渡面5中的過渡凸槽7的槽面高度從微帶波導(dǎo)面3往人工表面等離激元面4逐漸增加，能有效改善微波濾波器的傳輸及反射特性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡在本發(fā)明的精神和原則范圍內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。