带缺陷地结构的太赫兹微带带阻滤波器设计

摘要

提出了一种平面微带太赫兹带阻滤波器，该滤波器具有高插入损耗的缺陷接地结构₂₁)在1.436 THz时的阻带为−25.8 dB。从电磁仿真结果中提取了电路模型的参数。以苯并环丁烯(BCB)为介质基板，采用改进的六方哑铃形缺陷接地结构(DB-DGS)实现了紧凑的带阻滤波器。本文采用了一种缺陷接地结构拓扑λ/ 4,50 Ω微带线在太赫兹频率范围的紧凑性。目前还没有文章报道在太赫兹频率范围内使用DGS拓扑结构的微带线。该滤波器可用于DNA检测中生物医学仪器的传感和检测。所有的仿真/协同仿真都是使用全波EM模拟器CST V.9 Microwave Studio、HFSS V.10和Agilent Design Suite (ADS)进行的。

1.介绍

电磁波谱中太赫兹的频率范围为0.1 ~ 10.0太赫兹。这种太赫兹范围的电磁光谱已被有效地应用于各种应用，如医疗光谱、安全、空间、成像和覆盖介质衬底的测量[1，2］．光通信系统技术发展的新趋势激发了太赫兹传输线和元件的需求[3.］．THz技术正在慢慢发展成熟，以满足需求和特定的应用要求。有缺陷的地面结构为微带天线和其他无源微波/毫米波组件的设计提供了紧凑的解决方案[4］．很多文献都是基于有缺陷的接地结构来减小微带滤波器的尺寸[4- - - - - -14］．然而，在太赫兹频率下，使用缺陷接地结构(DGS)的滤波器设计还没有大量的工作报道。本文在太赫兹频段的微带线中采用改进的六边形哑铃形DGS/槽来实现带阻特性。在本工作中，苯并环丁烯(BCB)衬底用于滤波器设计[15］．

2.BCB介质的性质

BCB是一种很有前途的有机材料，在宽频率范围内表现出稳定的介电常数值和低损耗[15］．制造商(16的介电常数在1 MHz到10 GHz的频率区间内，介质BCB的损耗正切也在0.0008到0.002之间变化。本署亦提供更多资料[16在400 ~ 1500 GHz的频率范围内，证明了BCB在较宽的频率范围内具有稳定的介电性能。然而，在400ghz以下的中间微波范围内，没有提供具体的电学值[17］．

3.太赫兹带阻滤波器的DGS设计研究

各种哑铃形缺陷地面结构(DB-DGS)如图所示1；本文在高度BCB衬底上开发了各种DB-DGS11μM和介电常数为2.6。选择BCB作为底物有两个原因[18］．一是由于BCB能保持太赫兹和光辐射频段的相对介电常数值。第二，由于BCB的介质损耗(插入损耗的一部分)对应的损耗正切(）．在本文中，所有DB-DGS的尺寸都在表中提到1采用50 Ω微带线宽度为29的改性六方DB-DGSμM，厚度0.02μm.在这里，银被用作地平面和导电条[19］．

4.DB-DGS与改进设计的带阻特性比较

在CST微波工作室EM全波模拟器中模拟的所有DB-DGS如图所示2．修饰的六边形与其他所有的DB-DGS相比有更剧烈的转变。从Table可以清楚地看出2如果有效电容增加，滤波器的锐度就会增加。所有DB-DGS的3-dB截止频率相同;根据DB-DGS的配置，只有共振峰会改变。在表2，与其他DB-DGS相比，改进的六边形设计具有更有效的电容。这个有效电容是滤波器锐度的来源。

有效电感和有效电容由电路提取技术计算，公式如下[5- - - - - -7]：

5.拟议设计DB-DGS各种损失的计算

随着频率的增加，损耗也增加。在这里，本文计算了各种损耗，以研究微带太赫兹滤波器使用BCB衬底高度的行为= 11μ米,介电常数= 2.6，银带导体的宽度= 29μM:带钢厚度= 0.02μM，导电带的长度μm.这些损耗是导体损耗、介质损耗和辐射损耗，用下面的公式计算得到。

导体损耗(见[20.]）．对于图中提议的DB-DGS1 (f)，导线损耗为100 (nepers/米)或20分贝/米。这是通过使用(4) (7) ［20.]： 在哪里导体损耗,为整条电阻，为银金属导体的薄片电阻，为银金属导体的宽度，为线路特性阻抗，是皮肤深度，还是为金属电阻率。

介质损耗及损耗正切(见[15，21]）．的衰减在1.4 THz时，直接计算得到−25.8 dB参数和由(4)为银金属。对于1.4 THz时的BCB，介质损耗为5.8 dB，损耗正切为0.0002，由(8） 在这里,介电损耗,损耗角正切,相对介电常数,有效介电常数，和为衬底的高度。

1.4太赫兹时的辐射损失(见[8]）．采用模拟方法计算了辐射损耗参数图中所示的DB-DGS1 (f)．该滤波器的面积为87 × 50μ米²．考虑 在1.4 THz时，辐射损失为0.22或−6.5 dB。

6.-DB-DGS的建模与协同仿真

的-利用电路提取技术设计了并联谐振器电路，以解决地平面上改进后的缺陷[20.］．提取的电感值()是8.20 × 10⁻³nH和电容()是1.50 × 10⁻³由(1)-（2)，详见附表2．这-模型在ADS2006A中进行了共模拟。模拟结果如图所示3.与CST MW Studio在Figure4对改性的六方DB-DGS。

7.结果与讨论

电感的提取值和电容的仿真参数结果，在ADS中设计了DGS的等效电路模型，并进行了仿真;仿真结果表明，该等效电路的仿真结果与仿真结果吻合较好的参数，如图所示4；在这两种情况下，结果几乎相同。在CST Microwave Studio V9和Agilent ADS2006A中，仿真结果显示截止频率相同，约为1.000 THz。在这个截止频率下，滤波器的大小为μM，因此所提出的滤波器的大小非常小，该滤波器的总面积为87 × 50μ米²．将各种损耗计算为插入损耗在阻带−25.8 dB时，介质损耗为5.8 dB，导体损耗或衰减为20 dB/m，辐射损耗为0.22。

在图5，在各种电磁(EM)仿真工具中对所提出的改进的六方DB-DGS带阻滤波器进行了共仿真，以验证所提出的滤波器。在所有的情况下，截止频率和谐振频率几乎是相同的。在HFSS仿真的情况下参数有点扭曲。但在所有方法中，电磁仿真工具的所有结果都是一致的。对滤波器进行仿真时，采用吸收边界条件来减小辐射效应。

8.结论

很多研究者都在研究太赫兹滤波器，但目前还没有关于采用微带DGS的太赫兹滤波器设计的报道。本文提出了一种方法，设计了截止频率为1.000 THz的微带带阻滤波器，在阻带1.4 THz时插入损耗为−25.8 dB;不使用短节或阶梯式阻抗结构。只有50欧姆λ/4微带线在1.000 THz时表现出带阻特性。模拟参数在CST Microwave Studio V9模拟器和ADS200A模拟器中，其反射系数和插入损耗与计算值吻合较好。对所有基本的DB-DGS进行了太赫兹频率的研究，并比较了它们的锐度，如表所示2．改进的DB-DGS比其他DB-DGS更清晰。在文献中，到目前为止还没有关于在太赫兹频率下制作微带滤波器的报道。为验证所提滤波器的有效性，在CST、HFSS、ADS等多种电磁波模拟器中进行了仿真，并将仿真结果进行了比较，结果吻合较好。

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