[发明专利]一种超宽带人工表面等离子滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种滤波器结构，尤其涉及一种超宽带人工表面等离子滤波器结构。 

背景技术

表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons，简称SPPs)是在光和金属表面的自由电子相互作用下所引起的一种电磁波模式。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波的照射下发生集体振荡，它局限在金属与介质界面附近，沿表面传播。由于金属的等离子频率一般都在紫外波段，在微波段，电磁波难以渗透，金属近似表现为理想导体(PEC)。在这些情况下，尽管金属表面原则上是能够传播SPPs的，但它的场在介质内的约束很差。近年来，有人提出在金属表面挖孔或刻槽的方法来增加电磁场在金属内的渗透能力，从而可以在较低频率对SPPs进行工程设计。这种等离子体频率受表面几何结构控制的表面等离子体被称为人工表面等离子体(Spoof Surface Plasmon Polaritons，简称SSPPs)，它首先由Pendry等人在2004年提出，并应用于在较低频率对SPPs进行工程设计。其基本思想是在金属表面挖周期分布的孔洞，孔洞的尺寸和间隔都小于波长，以增强电磁波的渗透作用，从而通过等效媒质的手段降低了金属表层的等离子频率。2005年，Hibbins等人在微波段证实了SSPPs现象，自此SSPPs引起了研究者的极大兴趣。 

一般来说，金属在低频段(微波段)近似为理想导体，故在其表面是不能传播SPPs的，但有了周期分布的孔洞后，表面不仅可以传播SPPs，还可以实现场的亚波长约束，而且周期性亚波长结构的等离子频率可以通过改变亚波长结构的几何尺寸来灵活改变。目前光滑的金属线被认为是最好的太赫兹波导之一，它的导波基于正常的SPPs机理。这种导波具有低损耗和低色散的优点，但是约束较差。因此，2006年，Maier等人把SSPPs的概念推广到了金属线的几何位形上，理论上证明了在理想导线上沿长度方向刻周期性分布的环型凹槽，可以传输SSPPs和实现场的亚波长约束。相比光滑金属线，上述金属线结构可以实现微波 或太赫兹波的高度约束。 

一直以来，空间传播波到SPPs的转换被广泛地研究，如通过棱镜耦合或衍射光栅。但对于导波到SSPPs的转换却研究甚少。2013年，东南大学提出了一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换的结构，它由传统的共面波导(coplanar waveguide,简称CPW)和“牙齿型”等离子波导构成，两者之间设计了沟槽深度渐变的匹配过渡带。匹配过渡部分实现了CPW和等离子波导的波矢匹配和阻抗匹配，此结构在微波段实现了从导波到Spoof SPPs的高效率和宽频段转换，为等离子功能器件在微波电路中的高度集成开创了应用前景。然而，考虑到超薄“牙齿型”等离子波导中传输的电磁场形式，对于其他的传统波导，如同轴波导，上述方案将不再适用。 

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中涉及的“牙齿型”等离子波导结构不能实现和同轴波导之间的高效转化功能的缺陷，提供一种结构简单对称、尺寸紧凑、易于与传统微波传输线配合使用、性能好的新型同轴波导到圆柱型等离子波导转换器，在实现空间导波到SSPPs的高效和宽频带转化的基础上作为一种新型宽频带等离子滤波器使用，可为滤波器的设计及应用提供一种全新的思路和方案。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

一种超宽带人工表面等离子滤波器，其特征在于：包括两端对称的同轴波导和同轴波导到圆柱型等离子波导的过渡波导，以及中间的圆柱型等离子波导； 

其中，过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由半径和深度同时变化的周期性环型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口随曲线逐渐变化的喇叭天线实现；圆柱型等离子波导由半径和深度恒定的周期性环型凹槽阵列组成。 

本发明可以根据同轴波导的类型和尺寸来调节过渡波导和圆柱型等离子波导的结构尺寸，实现微波段或太赫兹波段空间导波到SSPPs的转化，进而完成等离子波导的超宽带滤波功能，从而在微波或太赫兹频段给等离子超材料器件的设计及应用提供一种全新的思路和方案。 

本发明具有如下有益效果： 

1.本发明主要基于传统同轴波导到圆柱型等离子波导的高效转化的思想提出一种超宽带人工表面等离子滤波器，尤其是结合同轴波导中导波和圆柱型等离子波导中SSPPs的传输形式设计出实现同轴波导到等离子波导的高效转化的新型过渡结构，为实现导波到人工SPPs转化的应用解决了关键性的难题，同时也解决了现实实验测试的难题，为等离子超材料器件的设计及应用开拓出更为广泛的前景。