一种基于等效局域型表面等离激元的双工器

1.本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种基于等效局域型表面等离激元的双工器。


背景技术：

2.人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons，sspps)的研究始于2004年英国帝国理工学院的j.b.pendry教授在science上首次提出的sspps的概念。在金属表面刻蚀周期性的亚波长孔洞，降低了金属的等效等离子频率，拓展了表面等离子体学的研究领域。2005年，hibbin教授在微波段实验验证了sspps的存在，为spps在低频段的应用提供了依据。2006年，maier和garcia-vidal等人把sspps的概念推广到三维模型，理论证明了刻蚀亚波长周期性环形凹槽的理想导线也可以传输sspps，实现了场的亚波长约束和能量聚焦。为使三维等离子波导平面化和小型化，并能应用到微波集成电路中，2013年东南大学的崔铁军教授首次提出了一种共形表面等离激元(conformal surface plasmons，csps)，在具有任意弯折的超薄等离子波导上实现了信号的强约束和高效传输，随后，他们又提出了相关的分频器和谐振器。南京大学的冯一军教授分析了csps高次模的产生条件及其色散和场分布特性，并提出了基于csps的微波段等离子定向耦合器和分频器等。2014年，南京航空航天大学李茁教授课题组提出了一种同时包含对称性牙齿和中心孔洞的复合超薄等离子波导结构，可实现多通道信号的高效传输，随后，他们提出了基于高对比度介质光栅hcgs结构的sspps的理论模型，并开展了微波段的实验验证工作。
3.在局域型人工表面等离激元(localized spoofsurface plasmons，lssps)方面，2012年，garcia-vidal教授首先提出了lssps的模型。2013年崔铁军教授首次实验实现了超薄lssps结构，该结构可以在微波频段的产生多模谐振现象，谐振特性与周围介质特性和几何结构相关，可用于微波和太赫兹波段的传感器。2013年，云南大学yang j.j.等人提出了一种人工表面回音壁模式传感器。2014年，huidobro p.a.等人发现了磁性人工局域表面等离激元谐振现象，该现象与电性lssps共存。同年，李茁教授课题组提出了一种lssps的多频谐振模型和一种腔内开槽的lssps模型以及多频谐振模型。
4.在波导模式色散诱导的等效表面等离激元(effective surface plasmon polaritons，espps)方面，2016年美国宾州大学的n.engheta教授首次在波导中采用在两种普通电介质分界面放置周期性金属线的方式观察到了多种等离激元现象，包括spps、lsps、隐身斗篷、遂穿效应等。但该工作仅通过仿真观察到了相关现象，并未对其物理机制进行解释。2017年，李茁教授课题组建立了模式色散诱导的等效表面等离激元的理论模型，揭示了espps的色散和传输特性，在两种普通介质材料的界面上首次实验验证了espps的存在，并通过波导端口和双层基片集成波导实现了espps的高效激发和低损耗传输。2018年，他们研究了等效绝缘体-金属-绝缘体(insulator/metal/insulator，imi)和等效金属-绝缘体-金属(metal/insulator/metal，mim)结构中espps的色散模型和传输特性，结果表明该多层系统中的espps由于结构的强耦合性可分解为奇模和偶模，其色散特性与光波段imi和mim结
构中真实spps非常类似，该工作为多层系统中espps的应用奠定了基础。2019年，首次在两种介电常数为正的介质交界面实验实现了等效局域型表面等离激元(effective localized surface plasmons，elsps)的谐振，建立了结构色散诱导的等效局域型表面等离激元的物理模型，推导了二维基于等效局域型表面等离激元结构的散射截面方程，揭示了等效局域型表面等离激元的谐振机理，并通过数值模拟和实验得以验证，为lsps拓展了新的研究方向。


技术实现要素：

5.本发明运用结构色散诱导的等效局域型表面等离激元(effective localized surface plasmons，elsps)理论，基于等效局域型表面等离激元谐振器构成两个具有不同中心频率的带通滤波器，再通过t型结连接，实现小型化、平面化和高性能的双工器。
6.本发明具体采用的技术方案如下：
7.一种基于等效局域型表面等离激元结构的双工器，其特征在于，包括：介质基板、设置于所述介质基板正面的t型结、第一带通滤波器和第二带通滤波器；所述第一带通滤波器设置于所述介质基板的上半部，其输入端连接所述t型结的一输出端，其输出端连接第一微带线的输入端；所述第二带通滤波器设置于所述介质基板的下半部，其输入端连接所述t型结的另一输出端，其输出端连接第二微带线的输入端；
8.所述第一带通滤波器由一组具有第一长度的多个长方体谐振器相互平行摆放构成，所述具有第一长度的长方体谐振器一端短路，位于所述第一带通滤波器左、右边缘的长方体谐振器的另一端分别连接所述t型结的一输出端、所述第一微带线的输入端；
9.所述第二带通滤波器由一组具有第二长度的多个长方体谐振器相互平行摆放构成，所述具有第二长度的长方体谐振器一端短路，位于所述第二带通滤波器左、右边缘的长方体谐振器的另一端分别连接所述t型结的另一个输出端、所述第二微带线的输出端；
10.所述第一带通滤波器中的长方形谐振器和所述第二带通滤波器中的长方形谐振器的相对面为开路面。
11.优选地，所述长方体谐振器采用高介电常数陶瓷材料制成，所述长方体谐振器的短路面，上表面、下表面分别镀银。
12.优选地，每组长方体谐振器包括三个长方体谐振器，长方体谐振器的长度由对应带通滤波器的通带中心频率指标决定。
13.优选地，所述t型结连接所述第一带通滤波器的部分，其长度为所述第二带通滤波器的波长的1/4；所述t型结连接所述第二带通滤波器的部分，其长度为所述第一带通滤波器的波长的1/4；每个带通滤波器分别在另一个带通滤波器的中心频率处开路。
14.优选地，所述t型结连接所述第一带通滤波器、第二带通滤波器的部分，分别经多次弯折后与所述第一带通滤波器、第二带通滤波器连接。
15.优选地，所述长方形谐振器为1/4波长谐振器。
16.本发明具有如下有益效果：
17.本发明利用基于等效局域型表面等离激元的具有不同长度的长方形谐振器平行放置，设计两个具有不同中心频率的带通滤波器，然后将上述两个带通滤波器分别通过t型结连接，构成基于等效局域型表面等离激元结构的双工器，针对不同中心频率，通过调整t
型结与带通滤波器连接部分的长度，就可以满足两个通带的隔离度需求，降低了传统双工器设计的复杂度，具有广泛的适用性。
18.本发明的基于等效局域型表面等离激元结构的双工器可以在5g应用频段，通过调整长方体谐振器长度使两个带通滤波器的中心频率在设计指标所需频点，通过调整长方体谐振器间距离调整耦合系数，通过调整t型结与带通滤波器连接部分的长度使双工器隔离度得到优化，提高产品性能。本发明的基于等效局域型表面等离激元结构的双工器结构简单、易于制造。
附图说明
19.图1是实施例一的基于等效局域型表面等离激元的双工器结构示意图。
20.图2是实施例一的第一、第二带通滤波器的结构示意图。
21.图3是实施例二的基于等效局域型表面等离激元的双工器结构示意图。
22.图4是实施例二的基于等效局域型表面等离激元的双工器原理图。
23.图5是实施例二的带通滤波器结构和性能示意图；其中(a)展示了带滤波器结构、(b)展示了带通滤波器扑结构，(c)展示了耦合系数随谐振器间距离s变化曲线，(d)展示了品质因数q值随微带馈电位置d变化曲线。
24.图6是实施例二的带通滤波器的s参数曲线。
25.图7是实施例二的基于等效局域型表面等离激元的双工器结构的s参数曲线。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
27.实施例一
28.本实施例提供一种基于等效局域型表面等离激元结构的双工器，如图1所示，包括：高频介质基板1，以及设置于介质基板1正面的t型结2、第一带通滤波器3、第二带通滤波器4。高频介质基板1背面镀一层铜作为金属地，通过端口与介质基板正面的微带线连接。第一带通滤波器3设置于介质基板1的上半部，其输入端与t型结2的一输出端连接，其输出端与第一微带线5的输入端连接。第二带通滤波器4设置于介质基板的下半部，其输入端与t型结2的另一输出端连接，其输出端与第二微带线6的输入端连接。
29.如图2，第一带通滤波器3由一组三个具有第一长度11的长方体谐振器7相互平行摆放构成，长方体谐振器的长度方向垂直于波的传输方向。具有第一长度11的长方体谐振器7一端短路，位于第一带通滤波器3的左、右边缘的长方体谐振器的另一端分别连接t型结2的上述一输出端、第一微带线5的输入端。第二带通滤波器4由一组三个具有第二长度12的长方体谐振器7相互平行摆放构成，长方体谐振器的长度方向垂直于波的传输方向。具有第二长度12的长方体谐振器7一端短路，位于第二带通滤波器4的左、右边缘的长方体谐振器的另一端分别连接t型结2的上述另一输出端、第二微带线6的输入端。第一带通滤波器3中的长方形谐振器和第二带通滤波器4中的长方形谐振器的相对面为开路面。
30.本实施例的长方体谐振器7采用高介电常数陶瓷材料制成，长方体谐振器的短路面，上表面、下表面分别镀银。
31.本实施例的长方体谐振器7的长度由对应带通滤波器的通带中心频率指标决定。
32.本实施例的t型结连接第一带通滤波器3的部分，其长度为第二带通滤波器4的波长的1/4；本实施例的t型结连接第二带通滤波器4的部分，其长度为第一带通滤波器3的波长的1/4；每个带通滤波器分别在另一个带通滤波器的中心频率处开路。
33.本实施例的长方形谐振器采用1/4波长谐振器，其谐振模式对横截面形状不敏感，且在相同频率下，谐振器长度是二分之一波长谐振器的一半，尺寸更小，平面化，更易于集成。
34.本实施例基于等效局域型表面等离激元，基于等效局域型表面等离激元的具有不同长度的长方形谐振器构成两个具有不同中心频率的带通滤波器，再通过t型结连接，构成一种拥有高隔离度、低插损、高q值的双工器，通过调整t型结与带通滤波器连接部分的长度，就能够轻松地实现小型化、平面化和高性能的双工器。
35.实施例二
36.本实施例提供一种基于等效局域型表面等离激元结构的双工器，如图3所示，基本结构与实施例一中的双工器相同，不同在于，本实施例中，t型结连接第一带通滤波器、第二带通滤波器的部分，分别经多次弯折后与第一带通滤波器、第二带通滤波器连接。采用弯折的传输线，可以使双工器结构更紧凑，减小所占面积，从而缩小器件整体尺寸。
37.本实施例的长方形谐振器采用1/4波长谐振器，其谐振模式对横截面形状不敏感，且在相同频率下，谐振器长度是二分之一波长谐振器的一半，尺寸更小，平面化，更易于集成。
38.本实施例的双工器在2.6ghz和3.1ghz两个中心频率处具有通带，通过调整t型结与带通滤波器连接部分的传输线长度，即图3中(i
m1
+i
m11
+i
m12
+i
m13
)的长度和(i
m2
+i
m21
+l
m22
+i
m23
)的长度，可以最大程度减小两个滤波器之间的相互作用，从而减小对滤波器回波损耗和插入损耗的影响，实现高隔离度、低插损、高q值的双工器设计。
39.本实施例的四分之一波长的长方形谐振器谐振频率fa的近似解析公式如下：
[0040][0041]
其中，c表示真空中的光速，εr是介质的相对介电常数，1是谐振器的长度。由式(1)可以看出基于等效局域型表面等离激元的谐振器偶极子模式的谐振频率与半径r无关。
[0042]
如图4所示，为本实施例的原理图，t型结与带通滤波器的连接部分相当于在带通滤波器输入端引入了微带传输线，通过调整该微带传输线长度改变反射系数和的相位，可以使每个带通滤波器在另一个带通滤波器的中心频率处开路，即在中心频率f
01
和f
02
处，使反射系数和等于0
°
。经过参数优化，在第一带通滤波器(滤波器1)前后串联一段特性阻抗50ω，长度为λ
g2
/4微带传输线，在第二带通滤波器(滤波器2)前后串联一段特性阻抗50ω，长度为λ
g1
/4的微带传输线，设计效果如图7所示。
[0043]
本实施例的具体设计过程如下：
[0044]
设计指标：
[0045]
(1)中心频率：3.1ghz
[0046]
(2)相对带宽：7.7％；
[0047]
(3)回波损耗＞20db；
[0048]
(4)插入损耗＜1db。
[0049]
选择通带纹波为0.1db的三阶切比雪夫低通滤波器原型。归一化低通截止频率ωc
＝1时，低通原型参数分别为g0＝1、g1＝1.0316，g2＝1.1474、g3＝1.0316、g4＝1。可以将耦合系数m
12
和m
23
和外部品质因数qe确定为
[0050][0051][0052]
其中，fbw为相对带宽。选择相对介电常数为12.3，损耗正切为2.36
×
10-4
的陶瓷材料作为长方体谐振器的材料，长方体谐振器横截面为2mm*2mm。银电镀在电介质的上、下表面以及短路面。双工器结构采用微带馈电的激励方式，将长方体谐振器分组平行布置与基板上。基板由罗杰斯rt5880制成，厚度为0.508毫米，尺寸是35*33mm，相对介电常数为2.2。根据等式(1)，可以得到基于等效局域型表面等离激元的长方体谐振器的长度为9.5mm。
[0053]
通过使用cst studio中的本征模求解器，找到谐振器i和j之间的耦合系数m
ij
的变化曲线(i，j＝1，2，3；4，5，6)与谐振器间耦合距离s的变化，其中可以从以下关系中提取m
ij
：
[0054][0055]
其中fp1和fp2表示两个并联耦合基于等效局域型表面等离激元的谐振器的两个谐振频率。使用cst studio中的本征模求解器，找到外部品质因数的变化曲线(如图5中(d)所示)，馈电位置的变化(用d表示)，其中qe可以通过以下方式提取：
[0056][0057]
其中ω0是谐振角频率，应该由谐振频率ω0处的实际相位正负各移90
°
对应的绝对带宽决定。通过将等式(2)中的值拟合到图5中(c)得到s＝1.7mm的初始值，通过等式(3)的值拟合到图5中(d)中得到d＝1.7mm。
[0058]
通过微调s和d来优化滤波器的s参数。最后，实现了预期的设计指标，s参数仿真结果图如图6所示，中心频率为3.1ghz，相对带宽为7.7％，回波损耗大于23db。
[0059]
在其他实施例中，衬底基板并不局限于罗杰斯rt5880板材，只要能够对谐振器结构能够起到很好的支撑作用，不易形变，且相对介电常数值较低，对微带馈线宽度影响较小即可。
[0060]
在其他实施例中，由于基于等效局域型表面等离激元的谐振器结构对横截面变化不敏感，长方体谐振器结构横截面不限于正方形。
[0061]
在其他实施例中，谐振器长度也并不受限于9.5mm，可以根据中心频率的设计指标进行长度计算调整。
[0062]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。