基于马赫曾德尔干涉仪人工表面等离子体滤波器的制造方法
【专利摘要】本实用新型设计一种基于马赫曾德尔干涉仪人工表面等离子体滤波器，其结构为将金属薄层附着在介质基板FR?4上，利用激光雕刻机对金属薄层进行装饰，即雕刻周期阵列的槽型结构，并设计MZI结构。本实用新型的工作频率为0～15GHz为微波工作频段。利用MZI的干涉原理，设计了3个干涉相消的频率点分别为：8.65、10.5和12GHz。本实用新型为平面结构，结构简单紧凑，体积小，易于集成，控制简单且适用范围广。
【专利说明】
基于马赫曾德尔干溃仪人工表面等离子体滤波器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种滤波器，具体设及的是一种基于马赫曾德尔干设仪人工表面 等离子体滤波器，属于微波无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体激元（5山寸日。日？1日3111〇沾〇1日1'；[1:;[0]1，5??3)是指金属与介质（通常是 空气)交界面上的一种电子和光子的混合激发态，SPPs是一种可W像波一样传播的表面波。 SPPs的场幅度在界面上有最大值，并在金属与界面内呈指数衰减，因此，SPPS是一种表面 波，他的电磁场被约束在金属与介质面的附近范围内，但金属的等离子频率一般都在紫外 波段，所W金属在微波段表现为近似理想导体(PEC)。
[0003] 因此，尽管金属表面原则上能够传播SPPs,但是其场在介质内的约束很差。因此国 内外的科研工作者提出了一种金属人工表面和人工SPPs的概念，在金属表面挖周期分布的 孔桐，W增强电磁波的渗透作用，因此金属表面不仅可W传播SPPs，还可W实现场的波长约 束。
[0004] 在众多滤波器中，马赫曾德尔干设仪型的滤波器因其结构简单等优势，在微波通 信金属领域备受关注。 【实用新型内容】
[0005] 针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供基于马赫曾德尔干设仪 的人工表面等离子体滤波器。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型通过如下技术方案实现：
[0007] 本实用新型包括金属膜层铜W及介质基板FR-4。
[000引其结构为:将金属铜附着在介质基板FR-4上，并用激光雕刻机对金属表面进行装 饰，即雕刻一维周期阵列的槽。
[0009] 本实用新型结构非常简单并且紧凑。
【附图说明】
[0010] 下面结合附图和具体实施方案来详细说明本实用新型：
[0011] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0012] 图2为本实用新型中图1中的区域I共面波导结构示意图；
[0013] 图3为本实用新型中图1中的区域n梯形槽和扩口接地面结构示意图；
[0014] 图4为本实用新型中图1中的区域虹Mn结构示意图；
[0015] 图5为本实用新型中图1中的周期阵列金属槽的结构示意图。
[0016] 图6为本实用新型色散曲线图。
[0017] 图7为本实用新型S曲线特性图。
[001引图1中标号:介质基板(1)、金属铜薄膜(2)。本实用新型有3个部分组成，分别为：区 域I共面波导、区域n梯形槽和扩口接地面和区域虹MZI结构，长度分别为：h、i2和13。
[0019] 图2中的尺寸为:共面波导导线两边缝隙g=0.33mm，共面波导中间导线宽度为2w， 其中w=3.4mm，接地带尺寸w0=20mm。
[0020] 图3中的尺寸为:到为梯形槽的槽深深度，分别为:hi=0.2mm也=0.4mm，h3=0.6mm，h4= 0.8mm，h5=1.0mm，h6=1.2mm，lT7=1.4mm，h8=1.6mm，h9=1.8mm，hi〇-=2.0mm，hii=2.2mm，hi2=2.4mm， 机狂1，埼为扩口接地面曲线的起点坐标为(10，3.73)，觀转按驗》为扩口接地面曲线的起点坐 标为（50,23.73)，曲线为；
任=〇.'!。
[0021] 图4中的尺寸为：上下两条干设臂之间的夹角岛=稱庐:，上干设臂的长度尺寸：U为 槽周期d的6倍，Is为槽周期d的10倍，下干设臂的外环半径R=llmm。
[0022] 图5中的尺寸:槽深h=2.4mm，槽周期d=2.5mm，槽宽a=lmm，长w=3.4mm。
[0023] 图6中的标号为：1是光线的色散曲线，2是人工表面等离子体的色散曲线。
[0024] 图7为仿真得到的S曲线图，实线为S21曲线，虚线为Sll曲线。
【具体实施方式】
[0025] 为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面 结合【具体实施方式】，进一步阐明本实用新型。
[0026] 具体实施：
[0027] 参见图1所示的基于马赫曾德尔干设仪的人工表面等离子体滤波器的结构。滤波 器的1介质基板的表面积为362.5x27.5mm，采用的材质为FR-4,厚度为0.05mm。在1介质基板 上附着厚度为0.018mm的2金属铜薄膜，厚度为0.018mm。用激光雕刻机对2金属铜薄膜进行 雕刻，刻一维周期阵列的槽结构。其中，槽的尺寸为图5所示。
[00%] W下对本实用新型的工作原理进行详细的介绍：
[0029] 本实用新型最主要的就是在金属薄膜上刻周期阵列的槽。利用图2中的共面波导 将空间传播的波转化为表面等离子体激元即SPPs,再利用图3梯形槽和扩口接地面实现共 面波导和等离子体波导的动量W及阻抗匹配，其中，共面波导的阻抗为50 Q。
[0030] 本实用新型首先利用一维周期阵列的槽型结构的色散曲线图，得到其等截止频 率，如图6所示。其中，曲线1为真空中光线的传播常数，曲线2为人工SPPs的传播常数。从图6 中可得，随着传播距离的增加，人工SPPs的传播常数越来越偏离于光线的传播常数，说明， 本实用新型设计的金属槽可W很好的将电磁波约束在金属的表面，并让电磁波沿着金属表 面传播。
[0031] 图4为本实用新型设计的MZI结构，为上下两条干设臂不等臂的情况，即干设臂存 在长度差的情况。利用MZI的干设原理：电磁波的相位差公式
，其中义为 自由空间的波长，n边T(I);为有效折射率，拟为上下两条干设臂的长度差。当，
时，发生频率的干设相消。本实用新型设计的MZI存在油，即电磁波存在相位差，并且由于 姐的不同，干设相消的频率也会不同。本实用新型的:站为9.56mm，因此干设相消的频率点 为8.65、10.5和12細Z。如图7所示。
【主权项】
1. 基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，包括:介质基板（1)，金属铜薄膜 (2)，其中，金属铜薄膜(2)由共面波导馈电带线、共面波导扩口接地面、梯形槽排列和马赫 增德尔干设仪结构的人工表面等离子体波导带组成，所述的共面波导馈电带线、共面波导 扩口接地面、梯形槽排列W及马赫增德尔干设仪结构的人工表面等离子体波导带印刷在介 质基板表面，所述马赫增德尔干设仪结构的人工表面等离子体波导带位于介质基板的中间 地带，梯形槽排列分别位于马赫增德尔干设仪结构的人工表面等离子体波导带的左右两端 并与其紧密相连，共面波导馈电带线与梯形槽紧密连接，共面波导扩口接地面位于共面波 导馈电带线的两侧，并与其有间隙。2. 根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，其特征在 于:介质基板（1)的尺寸为:表面积为362.5x27.5mm，厚度为0.05mm，金属铜薄膜(2)的厚度 为0.018mm。3. 根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，其特征在 于:在金属铜薄膜(2)上刻周期阵列的槽，槽的尺寸为:槽深h = 2.4mm，槽周期d = 2.5mm，槽 宽a = 1mm,长w = 3.4mm。4. 根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，其特征在 于:本实用新型共包含3个区域，区域I为共面波导结构，区域Π 梯形槽和扩口接地面结构， 区域虹MZI结构。5. 根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，其特征在 于：区域I共面波导的尺寸为:共面波导导线两边缝隙g = 〇.33mm，共面波导中间导线宽度为 2w，其中w = 3.4mm，接地带尺寸w0 = 20mm。6. 根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，其特征在 于：区域Π 梯形槽和扩口接地面的尺寸，其中hi到hl2为梯形槽的槽深深度，分别为:hi = 0.2mm，h2 = 0.4mm，hs = 0.6mm，h4 = 0.8mm，h已=1.0mm，he = 1.2mm，h? = 1.4mm，hs = 1.6mm，hg = 1.8mm，hio = 2.0mm，hii = 2.2mm，hi2 = 2.4mm; pi (XI, yi)为扩 口接地面曲线的起点坐标为（10， 3.73)，p2(X2，y2)为扩口接地面曲线的起点坐标为(50,23.73)，曲线为:y = cleαx+C2(xl<x< X2 ),其^3 = 0.1。7. 根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干设仪人工表面等离子体滤波器，其特征在 于：区域虹的尺寸为:上下两条干设臂之间的夹角0 = 60°，上干设臂的长度尺寸：l4为槽周 期d的6倍，1功槽周期d的10倍，下干设臂的外环半径R=llmm。
【文档编号】H01P1/20GK205680762SQ201620482455
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月25日 公开号201620482455.6, CN 201620482455, CN 205680762 U, CN 205680762U, CN-U-205680762, CN201620482455, CN201620482455.6, CN205680762 U, CN205680762U
【发明人】肖丙刚, 陈静
【申请人】中国计量学院