一种基于滑移对称人工表面等离激元的低通滤波传输结构

1.本发明涉及新型慢波传输线技术，尤其涉及一种基于滑移对称人工表面等离激元的低通滤波传输结构，可应用于通信、集成电路等技术领域。


背景技术：

2.表面等离激元在光波频段因其能突破衍射极限的特性，可用于光电器件的设计，在集成光路方面有重要应用，因而得到深入研究。在微波频率下，金属失去等离子体特性，表面等离激元不能被激发表现为导体特性。研究者通过在三维结构周期性过孔、平面结构周期性刻蚀凹槽等方式，获得了类似光波频段表面等离激元的表面电磁波，被称为人工表面等离激元。其中，二维平面金属导体周期性的开槽结构形成人工表面等离激元传输线比传统微带线对电磁波的束缚和局域性能力更强且具有更灵活的色散调控特性。
3.但是，平面人工表面等离激元表面波模式具有对单元色散周期很强的频率依赖性，这对二维器件的带宽构成了限制，进而对平面人工表面等离激元用于集成电路的发展形成阻碍。而具有高对称特性滑移对称周期结构可以打破人工表面等离激元基模和高阶模的禁带，可以在大范围内调控电磁波。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种基于滑移对称人工表面等离激元的低通滤波传输结构，通过滑移对称人工表面等离激元特性将人工表面等离激元两种模式合并。
5.技术方案：本发明的一种基于滑移对称人工表面等离激元的低通滤波传输结构，包括位于介质基板上表面的上层金属导体层和位于介质基板下表面的下层金属导体层，上层金属导体层和下层金属导体层均为轴对称结构；
6.其中，上层金属导体层包括位于中间的上层人工表面等离激元传输结构，上层人工表面等离激元传输结构两端分别依次连接上层过渡匹配结构和金属微带线；
7.下层金属导体层包括位于中间的下层人工表面等离激元传输结构，下层人工表面等离激元传输结构两端分别依次连接下层过渡匹配结构和金属地；
8.上层人工表面等离激元传输结构和下层人工表面等离激元传输结构沿横轴滑移对称，形成上下滑移对称人工表面等离激元传输结构。上下滑移对称人工表面等离激元传输结构色散特性中基模与第一高阶模形成简并性，进而提高传输主模式的截止频率。上下滑移对称人工表面等离激元传输结构支持人工表面等离激元慢波传输，金属微带线支持准-tem波传输，上层人工表面等离激元传输结构与金属微带线中间由上层过渡匹配结构连接，下层人工表面等离激元传输结构与金属地中间由下层过渡匹配结构连接，通过上层过渡匹配结构和下层过渡匹配结构将准-tem波平滑转换成人工表面等离激元慢波，实现两种波的动量匹配进而实现高效传输。
9.优选的，上层人工表面等离激元传输结构和下层人工表面等离激元传输结构均包括若干周期性排列的大小相同的矩形金属单元，并且上层人工表面等离激元传输结构和下
层人工表面等离激元传输结构沿横轴错位半个矩形金属单元周期长度。
10.优选的，通过改变矩形金属单元的高度和/或宽度，能够改变色散单元的截止频率，进而对电磁波的传输进行调控。
11.优选的，上层过渡匹配结构包括若干周期排列的高度梯度变化的金属矩形单元，且金属矩形单元的高度由两端的金属微带线向中间的上层人工表面等离激元传输结构方向梯度增大。
12.优选的，下层过渡匹配结构包括若干周期排列的深度梯度变化的矩形凹槽单元，且矩形凹槽单元的深度由两端的金属地向中间的下层人工表面等离激元传输结构方向梯度增大。
13.优选的，金属地包括与下层过渡匹配结构连接的高宝线形地，用于梯度阻抗匹配。
14.优选的，金属微带线连接sma接头内芯进行微带激励端口馈电，金属地连接sma接口的接地引脚。
15.优选的，上层金属导体层和下层金属导体层通过介质基板两面覆铜的技术制作完成。
16.优选的，介质基板为柔性板材。
17.有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果包括：(1)采用双层传输结构易于现代电路集成；(2)上下滑移对称人工表面等离激元传输结构两种模式形成简并性，提高了人工表面等离激元主模的截止频率，拓展了工作带宽；(3)上下两层梯度变化过渡匹配结构使得准-tem波与人工表面等离激元波有效的匹配，满足电路传输效率高的需求；(4)设计和加工简单，可用于设计微波和毫米波频段的滤波器、耦合器等器件；(5)本发明也可采用柔性板材加工，易共形，实现微小电路中的共形结构传输。
附图说明
18.图1为本发明的低通滤波传输结构的三维示意图；
19.图2为本发明的低通滤波传输结构正面示意图和反面示意图；
20.图3为对比微带线、非滑移对称人工表面等离激元结构色散曲线图和本发明滑移对称人工表面等离激元单元结构的色散曲线图；
21.图4为本发明滑移对称低通滤波传输结构和非滑移对称结构传输系数图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
23.如图1和图2所示，本发明的基于滑移对称人工表面等离激元的低通滤波传输结构，为轴对称结构，包括上层金属导体层1、介质基板2和下层金属导体层3，上层金属导体层1紧贴刻蚀于介质基板2正面，下层金属导体层3紧贴刻蚀于介质基板2反面。上层金属导体和下层金属导体通过介质基板两面覆铜的技术可制作完成。
24.如图2所示，上层金属导体层1为轴对称结构，包括：金属微带线11、上层过渡匹配结构12和上层人工表面等离激元传输结构13，其中，上层人工表面等离激元传输结构13位于中间，其两端分别通过上层过渡匹配结构12与金属微带线11相连接；下层金属导体层3为轴对称结构，包括：金属地31、下层过渡匹配结构32和下层人工表面等离激元传输结构33，
其中，下层人工表面等离激元传输结构33位于中间，其两端分别通过下层过渡匹配结构32与金属地31相连接。上层人工表面等离激元传输结构13和下层人工表面等离激元传输结构33均由大小相同的矩形金属单元周期性排列构成，且上下两层沿横轴错位半个矩形金属单元周期长度，构成上下滑移对称人工表面等离激元传输结构。上层过渡匹配结构12由高度不同且呈梯度变化的金属矩形单元构成，从金属微带线11开始金属矩形单元高度梯度变大直至高度渐变到和上层人工表面等离激元传输结构13矩形金属单元高度形成梯度。下层过渡匹配结构32由深度不同且呈梯度变化的矩形凹槽构成，从金属地31开始矩形凹槽深度梯度变大直至深度渐变到和下层人工表面等离激元传输结构33矩形凹槽形成梯度。上层过渡匹配结构12沿横轴滑移金属矩形单元周期长度的一半后，其金属矩形单元与下层过渡匹配结构32相邻两个矩形凹槽之间的金属凸起上下对应。金属地31由高宝线构成的金属地形成梯度阻抗变化。金属微带线11连接sma接头内芯进行微带激励端口馈电，金属地31连接sma接口的接地引脚。
25.上层人工表面等离激元传输结构13和下层人工表面等离激元传输结构33构成的上下滑移对称人工表面等离激元传输结构支持人工表面等离激元慢波传输，金属微带线11支持准-tem波传输，上层人工表面等离激元传输结构13与金属微带线11中间由上层过渡匹配结构12连接，下层人工表面等离激元传输结构33与金属地31中间由下层过渡匹配结构32连接，通过上层过渡匹配结构12和下层过渡匹配结构32将准-tem波平滑转换成人工表面等离激元慢波，实现两种波的动量匹配进而实现高效传输。
26.在本发明的一个可选实例中，图3为对比微带线和本发明滑移对称人工表面等离激元传输结构的色散曲线图，为了凸显本发明滑移对称人工表面等离激元结构的特性，图3同时给出了非滑移对称人工表面等离激元结构色散曲线图，其中，非滑移对称人工表面等离激元结构即上层人工表面等离激元传输结构和下层人工表面等离激元传输结构完全对称无错位。可以看到，上层和下层人工表面等离激元传输结构为滑移对称时即引入半个单元周期长度的滑移(错位)时，传输结构模式i(色散特性中基模)的截止频率升高，并且色散特性中基模(模式i)与第一高阶模(模式ii)之间原有的禁带消除，两种最低阶模式(模式i和模式ii)实现了模式的简并性。因此，滑移对称结构相比非滑移对称结构的传输截止频率大大增加。
27.在本发明的一个可选实例中，为了表明本发明滑移对称传输结构相比传统技术具体的优势，如图4为本发明滑移对称低通滤波传输结构和非滑移对称结构传输系数图。可以看出：由于滑移对称传输结构模式的简并性，低通滤波传输结构的截止频率增大，大大拓展了工作带宽。此外，低通滤波结构在截止频率处有着非常陡峭的下降沿。
28.在本发明的一个可选实例中，当矩形金属单元高度增大时，色散单元截止频率将降低，进而低通滤波传输结构的高频截止频率相应降低；当矩形金属单元宽度减小时，色散单元截止频率将增大，进而低通滤波传输结构的高频截止频率相应增大。因此，本发明可以通过改变滑移对称人工表面等离激元传输结构中矩形金属单元的高度和宽度等，来改变色散单元的截止频率，在较大频率范围内可以对电磁波的传输进行调控；进而，本发明可以应用于微波、毫米波等不同频段。
29.本发明不受上述实施例的限制，其他的任何不脱离本发明的精神实质与原理下进行的改进均在本发明范围内。
30.综上，本发明提供的一种基于滑移对称人工表面等离激元的低通滤波传输结构，在这个传输结构中上层人工表面等离激元传输结构与下层人工表面等离激元传输结构沿横轴错位半个矩形金属单元周期长度构成双层滑移对称人工表面等离激元传输结构，所述的双层滑移对称人工表面等离激元结构消除了人工表面等离激元结构的色散特性中基模(模式i)与第一高阶模(模式ii)之间的带隙，从而扩展了人工表面等离激元的工作模式可以在较大频率范围内调控电磁波进而可以扩展工作带宽。双层滑移对称人工表面等离激元传输结构相比传统非滑移对称结构在大范围内调控电磁波的模式和传播速度(相对传统非滑移对称结构色散曲线的主模式即传播模式的截止频率大大增加，即在相同频率下滑移对称结构传播速度更大)方面有巨大优势，通过滑移对称人工表面等离激元特性将人工表面等离激元两种模式合并，对于微波器件带宽扩展和模式扩展以及低色散天线设计的实现提供了新的方法。该滑移对称人工表面等离激元传输结构可应用于通信、集成电路等技术领域，在可调谐移相器和滤波器具有广阔的应用前景。