基于人工表面等离激元的平面微波滤波器研究

发布时间：2020-08-26 13:52

【摘要】：以人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton,SSPP)为背景,本文提出四种新型平面SSPP微波滤波器。论文详细介绍了这些新型滤波器的结构和理论基础,研究了新型滤波器的色散特性,并通过滤波器实物对设计方法进行验证。主要取得以下成果:首先提出一种低插损平面SSPP低通微波滤波器。对一个单梳状SSPP低通滤波器的规律型结构参数进行优化,进而得到一个结构参数不规律的低损耗滤波器。优化过程改善了滤波器近零赫兹频段的反射系数和插入损耗,提升了滤波器的带外抑制水平,并缩小了滤波器尺寸。两个滤波器的色散特性曲线揭示了优化过程能够提升滤波器性能的原因。两个滤波器的对比结果表明打破传统SSPP滤波器在结构参数上的规律性有助于提升滤波器的性能。其次提出一种新型混合型平面SSPP-SIW(Substrate Intergrated Waveguide)宽通带滤波器。平面双光栅SSPP和SIW在同一区域实现了传输模式和频率特性的融合,进而得到一个上下边带独立可控的宽通带滤波器。混合型滤波器在提升SSPP滤波器传输效率的同时提供了较低的插入损耗,并提升了传统滤波器的带外抑制水平。然后提出一种新型单阻带平面SSPP带阻微波滤波器。该滤波器在低通SSPP滤波器的缝隙内插入折叠开口环,从而实现了通带-阻带-通带的频率特性,但并未增大滤波器的尺寸。本文滤波器简化了传统滤波器的结构,并实现了结构参数对阻带带宽的控制。本文研究了单阻带SSPP单元的色散频率特性,建立了色散频率特性与滤波器S参数之间的联系,给出了滤波器结构参数控制其S参数的方法。最后提出两个新型双阻带和三阻带SSPP滤波器。两个滤波器都通过级联具有不同阻带中心频率的单阻带SSPP单元实现,因此各阻带之间的频率特性相互独立。与同类SSPP滤波器相比,本文的多阻带滤波器提供了更小的尺寸、更宽的阻带带宽和良好的频率参数可控性,并实现了结构参数对阻带带宽的控制。与常规非SSPP滤波器相比,本文滤波器具有更深的抑制深度和更陡的抑制边带。本文分析了级联的多阻带非周期SSPP结构与单阻带周期SSPP结构的异同,给出了滤波器结构参数控制S参数的具体方法,并测试了滤波器实物对设计方法进行验证。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713
【图文】：

色散特性

电子科技大学硕士学位论文结构化的等效结果，远低于金属本身的等离频率，因此 SSPP 中的金属具有较小损耗；第二，SSPP 的色散特性完全由金属的结构决定，因此可通过改变金属的构参数调控 SSPP 的色散特性。目前已经有多种不同的 SSPP 结构和效应相继被出，工作频率覆盖了微波、毫米波和太赫兹波段[4 11]。

结构图,零厚度,共形,金属条

[12]，其宽度为亚波长尺寸，厚度是工作波长的几百分之一（图1-3）。SSPP 沿着纹波金属条传播，电场在垂直于传播方向的交界面两侧呈指数衰减，实现了真正意义上的亚波长束缚。将这种纹波金属条印制在柔性超薄介质表面后，电磁能量能在弯曲的介质表面实现低损耗传播；还可以将其印制在通用微波基板上与传统微波器件集成。以这种纹波金属条结构图 1-3 近似零厚度的超薄共形 SSPP[12]2

滤波器图,低通,滤波器,频段

电子科技大学硕士学位论文最后，低通 SSPP 滤波器的截止边带比常规滤波器陡峭得多，比如文献 [37] 中滤波器的带外抑制在约 100 MHz 宽的截止带内就实现了 40 dB 的变化量（图1-4(b)），这正是 SSPP 滤波器相比常规滤波器的优势所在。(a) 原理图(b) S 参数图 1-4 一种具有代表性的低通 SSPP 滤波器[37]正由于 SSPP 的色散常表现出低通的频率特性，在理想情况下，SSPP 最适用于实现低通滤波器。然而，当 SSPP 被应用于实现滤波器时，具有低通色散频率特性的 SSPP 滤波器常在接近零赫兹的频段内表现出较大的反射系数和插入损耗[37,39,40]（图1-4(b)）。这一缺陷甚至致使具有低通色散频率特性的 SSPP 单元被应用于实现带通 SSPP 滤波器[35,36,41,42]。研究者进行了大量研究以求解决这一问题。文献 [35,37] 尝试改变 SSPP 的结构和信号馈入方式，并在这些改变中严格保持 SSPP 单元和模式转换单元的周期性。二者都减小了近零赫兹频段的反射系数，但近零赫兹频段的反射系数和插入损耗仍高于更高频段的值。文献 [38] 对模式转换单元的结构参数进行优化，打破了模式转换单元的周期性。这种做法进一步减小了近零赫兹频段的反射系数

【参考文献】