基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，包括介质基板，以及设置于所述介质基板的金属结构和开口谐振环；所述金属结构包括共面波导、人工表面等离激元波导，以及连接所述共面波导和人工表面等离激元波导的耦合结构；所述人工表面等离激元波导为周期性褶皱金属条；所述耦合结构包括曲线形地板和凹槽梯度渐变的褶皱结构；所述开口谐振环蚀刻于人工表面等离激元波导上。发明结合人了工表面等离激元器件的波导和开口谐振环，在相应的频点都具有很好地滤波特性；仅提供通过调节调节互补开口谐振环的半径大小，便可实现多频点和宽带的带阻滤波器，调节简单，扩展性良好。
【专利说明】
基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器
技术领域
[0001]本发明属于人工电磁材料领域，尤其是一种基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器。
【背景技术】
[0002]新型人工电磁材料(Metamaterials)是指电磁波在其中传播时具有特殊传导或者辐射特性的人工复合材料，也可以说是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。新型人工电磁材料是基于等效媒质理论，即可以通过改变新型人工电磁材料单元结构的尺寸来改变等效介电常数和磁导率。经过十多年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。
[0003]由于表面等离激元结构具有独特的性质，在数据储存、超分辨成像和负折射材料等方面有着重要的应用前景，使其成为当前广受国内外学者重视的热点研究领域之一。为了克服由于金属在较低的频段无法表现出其介电常数为负值的特性。
[0004]近来，人们借助于新型人工电磁材料的概念，利用周期褶皱结构成功模拟了表面等离激元在光波段的性质，科学界称这种特殊结构为人工表面等离激元。已有的表面等离激元滤波器大部分是利用周期褶皱结构自身的特点制成的，并且结构尺寸较大，在实际应用中受到诸多限制。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，为解决现有技术存在的上述问题，
【申请人】提供了一种基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器。
[0006]该技术方案为:一种基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，包括介质基板，以及设置于所述介质基板的金属结构和开口谐振环;所述金属结构包括共面波导、人工表面等离激元波导，以及连接所述共面波导和人工表面等离激元波导的耦合结构;所述人工表面等离激元波导为周期性褶皱金属条;所述耦合结构包括曲线形地板和凹槽梯度渐变的褶皱结构;所述开口谐振环蚀刻于人工表面等离激元波导上。
[0007]在进一步的实施例中，所述开口谐振环为地面缺陷开口谐振环，包括两个同心而开口方向相反的规则多边形或圆形环。
[0008]进一步的，所述人工表面等离激元波导为单边人工表面等离激元波导，所述开口谐振环为矩形。
[0009]进一步的，所述人工表面等离激元波导为双边人工表面等离激元波导，所述开口谐振环为圆环形。
[0010]进一步的，沿所述共面波导至人工表面等离激元波导的方向，凹槽深度线性增加。
[0011]优选的，所述曲线形地板的两边为相互垂直的直线、另一边为指数曲线。
[0012]优选的，所述开口谐振环为多组，间隔设置于所述人工表面等离激元上。
[0013]在进一步的实施例中，所述开口谐振环的大小相同，蚀刻于所述人工表面电磁等离激元波导的中心位置。
[0014]在进一步的实施例中，所述开口谐振环为圆环形，圆环的半径不同，蚀刻于所述人工电磁表面等离激元的中心位置。
[0015]实施本发明，可获得的有益效果是:本发明结合人了工表面等离激元器件的波导和开口谐振环，在相应的频点都具有很好地滤波特性;仅提供通过调节调节互补开口谐振环的半径大小，便可实现多频点和宽带的带阻滤波器，调节简单，扩展性良好;同时，本发明具有便携、重量轻和容易集成的优点。
【附图说明】
[0016]图1是本发明中双边波导结构单频点带阻滤波器的示意图。
[0017]图2是本发明中双边波导结构双频点带阻滤波器的示意图。
[0018]图3是本发明中双边波导结构宽带带阻滤波器的示意图。
[0019]图4是本发明中单边波导结构单频点带阻滤波器的示意图。
[0020]图5a是单边和双边人工表面等离激元随槽深变化的色散曲线图。
[0021]图5b是圆环形互补开口谐振环随圆环半径变化的投射曲线。
[0022]图6是双边波导结构单频点带阻滤波器的仿真和实验的投射曲线。
[0023]图7是双边波导结构双频点带阻滤波器的仿真和实验的投射曲线。
[0024]图8是双边波导结构宽带带阻滤波器的仿真和实验的投射曲线。
[0025]图9是单边波导结构单频点带阻滤波器的仿真和实验的投射曲线。
【具体实施方式】
[0026]如图1所示，本发明基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，包括介质基板以及其上的金属结构，并且将开口谐振环蚀刻到人工表面等离激元波导的金属部分上。所述的波导是典型的人工表面等离激元波导，包括共面波导1、耦合结构2和周期性褶皱金属条3、4。其中，耦合结构包括凹槽梯度渐变的褶皱结构和两个曲线形地面结构。具体地，共面波导位于端部、地面结构和凹槽梯度渐变的褶皱结构的一端，另一端向人工表面等离激元的方向延伸。人工表面等离激元位于中部，其两端分别靠近凹槽梯度渐变的褶皱结构的端部。结合图1上方的局部放大结构可知，开口谐振环为尺寸相同的圆形环，间隔分布于人工表面等离激元的周期性褶皱结构上。从上可知，基于上述实施例的内容，可以制成基于人工表面等离激元器件的波导和互补开口谐振环的带阻滤波器。
[0027]如图1至图4可知，互补的开口谐振环是地面缺陷开口谐振环，具有多样的表现形式，基本原则是由介质板上的两个同心而开口方向相反的规则多边形6和圆环形结构5、7、
8。在图2所示的实施例中，互补开口谐振环为两组圆环形结构，每组五个，不同组中的开口谐振环的半径不同。图3所示的实施例中，互补开口谐振环为五组环形结构，每组五个，相邻组之间间隔设置，不同组的开口谐振环的半径不同。图4所示的实施例中，互补开口谐振环为矩形环，间隔设置于人工表面等离激元的周期性褶皱结构上，不同开口谐振环的尺寸参数相同。
[0028]具体地，图1和4所示的实施例中，刻蚀了多个相同大小的开口谐振环于人工表面等离激元波导上。图2是刻蚀了 10个圆环形的开口谐振环于人工表面等离激元波导上，其中五个开口谐振环的圆环半径是2.30mm，另外五个的圆环半径是1.95mm。
[0029]图3是刻蚀了25个圆环形的开口谐振环于人工表面等离激元波导上，其中五个开口谐振环的圆环半径是2.32mm，五个的半径是2.25mm，五个的半径是2.19mm，五个的半径是2.13mm，五个是2.07mm.
[0030]另外，在图1至图4所示的实施例中可见:耦合结构中的凹槽的梯度渐变采用的是线性变化的，两个曲线形地面结构的是指数函数的曲线变化。这种结构可以更有效地实现共面波导与人工表面等离激元波导的连接。
[0031]从图4所示的实施例中可知，对于单边人工表面等离激元波导，对于结构的非对称性，我们采用的共面波导结构的分析也是非对称的，对于单边人工表面等离激元波导互补开口谐振环采用的是矩形的。对于双边人工表面等离激元波导互补开口谐振环采用的是圆环形的(如图1至图3)。
[0032]仿真结果如图5a至图9所示，对应的波导的结构分别如图1-4，即双边波导结构单频点带阻滤波器、双边波导结构双频点带阻滤波器、双边波导结构宽带带阻滤波器和单边波导结构单频点带阻滤波器。可以很容易地观察到这些带阻滤波器在想谐振频点起到滤波作用，即投射系数小于_30dB。
[0033]总之，本发明是一些列基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，包括双边波导结构单频点带阻滤波器、双边波导结构双频点带阻滤波器、双边波导结构宽带带阻滤波器和单边波导结构单频点带阻滤波器。滤波器的基本条件是介质基板以及其上的金属结构。将多个大小相同或者不相同的圆环形或者矩形开口谐振环刻蚀到人工表面等离激元波导的金属部分上，形成互补开口谐振环。
[0034]其中，波导两端是用于馈电50欧姆的共面波导结构，为了测试时方便焊接SMA转接头。由于双边人工表面等离激元波导结构的对称性，共面波导的传输线与地板的两个缝隙大小相同；反之，由于单边人工表面等离激元波导结构的对称性，共面波导的传输线与地板的两个缝隙大小不相同。耦合结构是连接共面波导和人工表面等离激元波导结构的部分，包括两者连接的传输线部分是一系列凹槽深度线性渐变的褶皱金属条，从共面波导结构到人工表面等离激元结构看去，凹槽的深度是线性变深的；以及和共面波导的地连接的是由指数函数曲线和两条分别垂直和平行水平轴的两条直线组成的曲面。中间的单边或双边褶皱金属条部分则是主要传输人工表面等离激元的结构。在褶皱金属条的金属部分刻蚀开口谐振环，即两个同心的开口而开口方向相反的圆环形或矩形。最后制作一系列滤波器的实物进行测试，实验结果和仿真结果存在较小的误差，并且更好得证明了本发明的滤波效果及实用价值。
[0035]从上述实验结果可知，该滤波器在相应频点均能达到很好地抑制信号传输的作用，并具有很好的矩形系数。同时，调节互补开口谐振环的半径大小，还可以多频点和宽带的带阻滤波器，且都具有较好的滤波特性。该滤波器具有易于加工、成本低、厚度薄、重量轻等优点，方便的制作共性电路，具有很高的实用价值。
[0036]本发明公开了一系列基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，由人工表面等离激元的垂直于金属表面的电场激励互补开口谐振环来达到在相应谐振频点上的滤波效果。这种传输结构与传统的光波段的表面等离激元具有相似的特性可能成为微波电路未来发展的方向之一。在金属表面刻蚀同心开口圆环或规则多边形组成互补开口谐振器是地面缺陷开口谐振环的一种形式，同样被认为是一种新的超材料的谐振器，它具有负的介电常数，由于能够在谐振频点抑制信号的传输，开口谐振环和互补开口谐振环已经广泛地应用于平面小型化微波器件如滤波器、天线、双工器和耦合器的设计和研究。
【主权项】
1.一种基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，包括 介质基板，以及设置于所述介质基板的金属结构和开口谐振环;所述金属结构包括共面波导、人工表面等离激元波导，以及连接所述共面波导和人工表面等离激元波导的耦合结构;所述人工表面等离激元波导为周期性褶皱金属条;所述耦合结构包括曲线形地板和凹槽梯度渐变的褶皱结构;所述开口谐振环蚀刻于人工表面等离激元波导上。2.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述开口谐振环为地面缺陷开口谐振环，包括两个同心而开口方向相反的规则多边形或圆形环。3.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述人工表面等离激元波导为单边人工表面等离激元波导，所述开口谐振环为矩形。4.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述人工表面等离激元波导为双边人工表面等离激元波导，所述开口谐振环为圆环形。5.如权利要求1至4任一项所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，沿所述共面波导至人工表面等离激元波导的方向，凹槽深度线性增加。6.如权利要求5所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述曲线形地板的两边为相互垂直的直线、另一边为指数曲线。7.如权利要求1至4任一项所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述开口谐振环为多组，间隔设置于所述人工表面等离激元上。8.如权利要求7所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述开口谐振环的大小相同，蚀刻于所述人工表面电磁等离激元波导的中心位置。9.如权利要求7所述的基于人工表面等离激元和互补开口谐振环的带阻滤波器，其特征在于，所述开口谐振环为圆环形，圆环的半径不同，蚀刻于所述人工电磁表面等离激元的中心位置。
【文档编号】H01P1/203GK106025462SQ201610488125
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】袁浩, 崔铁军, 万向, 周小阳, 张茜, 张浩驰
【申请人】江苏赛博防务技术有限公司