基于人工表面等离子体的电容耦合带通滤波器的制作方法

本实用新型属于微波技术领域使用的电容耦合带通滤波器，特别涉及平面结构以及人工表面等离子体超材料。

背景技术：

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polarions，简称SPPs)，是在金属与介质(通常是空气)界面上的一种电子和光子的混合激发态，是被约束在金属与介质面的附近范围内传输的表面波。由于SPPs能够突破衍射极限的限制,可以实现对电磁场次波长的束缚，因此广泛应用于生物医疗检测、近场光学显微镜、光电子、太阳能光电和纳米光子学等方面。但是在微波频段内，金属表现为完美电导体(PEC)，在与介质界面上不在SPPs，其等离子频率一般存在于可见光和紫外波段。2004年，英国帝国理工大学的Pendry教授从理论上提出了人工表面等离子体(spoof SPPs)的全新概念。2005年，Hibbins等人在微波频段上用实验证实了spoof SPPs现象。

平面结构，比如共面波导、微带线、基片集成波导等，具有小型化、集成化、易于加工、与其它有源电路元件易于兼容等优点，目前得到了广泛的应用。

微波滤波器，主要是用在发射端前级或者接收端的后级，用于滤除高频信号，获得理想低频信号。微波滤波器在噪声和杂散信号抑制方面起重要作用，如今，微波滤波器已不仅仅应用于通信领域，而且广泛应用于RF和微波产品，如雷达，无线局域网，微波通信链路，电子电路，微波测量电路，无线传感器和控制等成为了各电子设备中不可或缺的器件，其性能也影响着整个系统的质量。传统的微波滤波器有阶跃阻抗结构和缺陷地结构等。

相比于传统的微波滤波器，本发明中基于人工表面等离子体的电容耦合带通滤波器，具有高约束性、结构简单、易于制造集成等优点。该滤波器的3dB通带带宽为11.6GHz到18.3GHz。相比于传统的滤波器结构，这种新型滤波器具有易于集成的简单平面结构，使其在将来的微波器件发展中有着潜在的应用价值。

技术实现要素：

本实用新型设计了一种基于人工表面等离子体的电容耦合带通滤波器。本实用新型中的带通滤波器的3dB通带带宽为11.6GHz到18.3GHz。该实用新型滤波器具有结构简单紧凑、可调性高、易于制造集成等优点、约束性好等优良特性，满足了微波器件小型化、集成化的要求，可以广泛地应用于微波系统中。

本实用新型所述的技术方案是：

一种基于人工表面等离子体的电容耦合带通滤波器，其特征是：介质基板、电容耦合阵列，电容耦合阵列印刷在介质基板上表面，所述的电容耦合阵列由一条刻蚀有多个菱形孔的金属构成。该菱形孔的金属结构构成Spoof SPPs波导，并且该金属结构单元以一定间距周期排列在波导传输方向上组成滤波器的电容耦合结构。在这里每个独立的金属孔结构被视为是一个新的耦合单元，在传输方向上以一定间隔距离排列的相邻的两个耦合单元可等效为一个电容。两单元结构之间的电容会使原结构表面阻抗产生不匹配，从而在原Spoof SPPs的工作频段内产生阻带。我们利用此性质来对器件工作带宽进行控制，从而获得所需的带通滤波器。

本实用新型所述的有益效果是：

1、本实用新型所述的滤波器结构单层印刷电路板工艺即可实现，结构简单紧凑、体积小巧、加工方便、成本低。

2、本实用新型所述的电容耦合阵列结构，通过改变耦合间距尺寸可调整通带带宽，实现超宽带通信与忽扰通信系统相互兼容协同通信。

3、本实用新型所设计的滤波器，生产成本低廉，便于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型电容耦合带通滤波器的俯视图；

图2为菱形周期孔的示意图；

图3为梯度菱形孔排列的示意图。

图4为本实用新型电容耦合带通滤波器的仿真结果图。

以上图片中含有：

l₁＝10mm，l₂＝60mm，l₃＝109.9mm，H＝3mm，d＝15mm，s＝0.2mm，g＝0.1mm，b＝5mm，c＝2mm，x1，x2分别为扩口接地面曲线方程的起始点和终点，区域I即为共面波导部分，区域II即为过渡单元结构，区域III为电容耦合结构。

具体实施方式

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，进一步阐明本发明。

具体实施：

如图1所示：设计了一种基于Spoof SPPs的新型电容耦合带通滤波器。其完整结构由以 一定间隔距离周期排列的刻蚀有菱形孔的金属片构成的电容耦合结构，共面波导和特殊过渡单元等三部分组成。整个滤波器被印制在厚度为0.09mm的介质基片材料上。区域I即为共面波导部分，其主要用来将滤波器连接与传统的微波电路中，实现对Spoof SPPs波的激励，为了满足50Ω的输入阻抗的匹配，根据计算得到共面波导的各参数为：H＝3mm，d＝15mm，s＝0.2mm。由于从普通波导结构中入射电磁波与Spoof SPPs波之间存在着动量不匹配的问题，使用共面波导对Spoof SPPs进行激励存在效率低下的问题，所以此处我们设计了特殊的过渡单元，连接于共面波导与SPPs波导之间，起到使电磁波从普通波导模式到Spoof SPPs模式平滑过渡转换的作用，从而有效的实现对Spoof SPPs的激励。区域II即为过渡单元结构，其整体结构由梯度菱形孔阵列和两个扩口接地面组成，其中扩口接地面曲线方程为：式中：其中α＝0.2，(x1,y1)与(x2,y2)分别表示扩口接地面方程的起点和终点。梯度菱形孔阵列由10个孔高以0.5mm步长等差递减的菱形孔构成。区域III为电容耦合结构，由18个相同尺寸的金属菱形孔以一定的间距周期排列构成，其中每个金属菱形孔结构都可被视为是一个电阻，每两个以一定间距隔开的单元结构可以等效为一个电容。

所述的介质基板厚度为0.09mm，相对介电常数为4.3，损耗角为0.03。

所述的菱形孔的宽度c、高度b分别为2mm、5mm如图2所示。

所述的过渡单元结构的菱形孔的高度b从5mm以0.5mm步长等差递减，如图3所示。

图4为实用电容耦合带通滤波器的S参数曲线图，从图中可以看出，3dB通带带宽为11.6GHz到18.3GHz。