一種新型寬帶表面等離子帶通濾波器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種濾波器結構,尤其涉及一種新型寬帶表面等離子帶通濾波器結構。
【背景技術】
[0002]表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons,簡稱SPPs),是存在與金屬與介質(通常是空氣)界面上的一種電子和光子的混合激發態。SPPs是一種表面波,可以突破衍射極限,電磁場被約束在金屬和介質界面附近的亞波長范圍內,有很強的場增強效應。對于SPPs的研宄曾一度被局限于光波段或是更高的頻率上,由于SPPs的優良特性,若將表面等離子激元的概念推廣到低頻段(微波或太赫茲波段),有助于獲得高約束性的微波或太赫茲信號的導波技術,并將低頻段的器件尺寸減小到亞波長量級以實現高度集成。但是由于金屬的等離子頻率一般都處于紫外波段,金屬在低頻段的介電常數很大,使得電磁波的趨膚深度很小,所以,在低頻段,金屬近似于理想導體(Perfect Electric Conductor, PEC),從而使得SPPs在金屬表面的場約束很差,無法在金屬表面上實現有效傳播,大大限制了SPPs在低頻段的應用。近年來,有人提出在金屬表面挖孔或刻槽的方法,不僅能增加電磁場在金屬內的滲透能力,還可以實現場的亞波長約束,而且結構表面的等效等離子頻率僅與表面結構的幾何參數有關,從而可以在較低頻率對SPPs進行工程設計。這種等離子體頻率受表面幾何結構控制的表面等離子體被稱為人工表面等離子激元(Spoof SurfacePlasmon Polaritons,簡稱SSPPs)。其基本思想是在金屬表面挖周期分布的孔洞,孔洞的尺寸和間隔都遠小于波長,以增強電磁波的滲透作用,從而通過等效媒質的手段降低了金屬表層的等離子頻率。2005年,Hibbins等人在微波段證實了 SSPPs現象,隨后,Williams等人也在太赫茲波段驗證了 SSPPs的存在,為低頻SPPs的發展和應用揭開了新的一頁。自此SSPPs引起了研宄者的極大興趣。
[0003]一般來說,金屬在低頻段(微波段)近似為理想導體,故在其表面是不能傳播SPPs的,但有了周期分布的孔洞后,表面不僅可以傳播SPPs,還可以實現場的亞波長約束,而且周期性亞波長結構的等離子頻率可以通過改變亞波長結構的幾何尺寸來靈活改變。目前光滑的金屬線被認為是最好的太赫茲波導之一,它的導波基于正常的SPPs機理。這種導波具有低損耗和低色散的優點,但是約束較差。金屬表面挖周期分布的亞波長孔洞或是凹槽,相比光滑金屬線,可以傳輸SSPPs,從而實現微波或太赫茲波的局域增強效應,為周期性金屬線結構在微波或太赫茲成像、生物檢測、國家安全、食品和農產品質量控制、全球環境檢測和信息與雷達通信技術等領域的應用開拓了廣闊的前景。
[0004]一直以來,空間導波到SPPs的轉換被廣泛地研宄,如通過棱鏡耦合或衍射光柵。但對于如何將空間導波高效地轉換成SSPPs的研宄甚少。2013年,東南大學提出了一種在微波頻段實現導波到SSPPs的高效轉換的結構,它由傳統的共面波導和“牙齒型”超薄周期性結構金屬條帶等離子波導構成,兩者之間設計了溝槽深度漸變的匹配過渡帶。匹配過渡部分實現了共面波導和等離子波導的波矢匹配和阻抗匹配,此結構在微波段實現了從導波到Spoof SPPs之間的高效率和寬帶段轉換,為等離子功能器件和電路在微波段的高度集成開創了應用前景。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明所要解決的技術問題是針對等離子波導結構不能實現和傳統微帶線高效轉化功能的缺陷,借鑒2013年東南大學提出的一種在微波頻段實現導波到SSPPs的高效轉換的設計思想,設計出一種結構簡單對稱、尺寸緊湊、易于與傳統微波傳輸線配合使用的微帶線到等離子波導轉換器,在實現空間導波到SSPPs的高效和寬頻帶轉化的基礎上作為一種新型寬頻帶表面等離子帶通濾波器使用,可為濾波器的設計及應用提供一種全新的思路和方案。
[0006]為了達到上述目的,本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]一種新型寬帶表面等離子帶通濾波器,其特征在于包括最底層純金屬底板、中間層介質基板及最上層金屬條帶三層結構;
[0008]其中,最上層金屬條帶包括兩端對稱的微帶線、微帶線到等離子波導的過渡波導以及中間的孔洞型等離子波導;過渡波導由一系列橫向寬度恒定,縱向長度按恒定間隔逐漸增大的周期性孔洞陣列組成;中間的等離子波導由周期、寬度、長度均恒定的亞波長孔洞陣列組成。
[0009]本發明可以通過調節表面等離子波導的結構尺寸,實現微波段或太赫茲波段空間導波到SSPPs的轉化,進而完成寬頻帶濾波功能,從而在微波或太赫茲頻段給等離子超材料器件的設計及應用提供一種全新的思路和方案。
[0010]本發明具有如下有益效果:
[0011]1.本發明主要基于傳統微帶線到等離子波導的高效轉化的思想提出一種新型寬帶表面等離子帶通濾波器,這種結構一方面借鑒共面波導到人工表面等離子波導轉化結構的設計思想,通過金屬條帶中孔洞的縱向長度的漸變,實現微帶線和人工表面等離子波導之間的波數匹配,為實現導波到人工SPPs轉化的應用解決了關鍵性的難題,同時也解決了現實實驗測試的難題,在微波器件和集成電路結構的設計中具有更大的靈活性,為等離子超材料器件的設計及應用開拓出更為廣泛的前景;
[0012]2.創新性強,技術前瞻性好:該新型寬帶等離子帶通濾波器結構,在微波頻段實現了電磁波的強局域性和高效傳輸,創新性強,國內外未見此類濾波結構;其可以很好的與傳統微波傳輸線配合使用,并可應用于太赫茲波段,拓展了等離子體傳輸線的應用范圍,具有很好的技術前瞻性;
[0013]3.結構簡單,易于制造:本發明主要由金屬底板、介質基板和平面周期孔洞結構構成,結構簡單,可采用普通的印刷電路板加工技術實現;
[0014]4.效率高、頻帶寬;本發明最終可以實現人工表面等離子器件的高效和超寬帶濾波功能。在2?1Hz范圍內,Sll均在-1OdB以下,S21均大于-0.5dB,從而實現了信號在人工表面等離子超材料中的高效和寬頻帶傳輸,以及等離子超材料對信號的超寬帶濾波的功能。