基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计

吴杰民; 陆恺; 汪江鹏; 高昊; 段宗明; 崔铁军; 鲍迪

doi:10.12263/DZXB.20221260

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基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计

太赫兹超表面技术及应用 | 更新时间：2025-12-08

- 基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计
- Design of Novel CMOS Coupled Filters Based on Spoof Surface Plasmon Polaritons
- 电子学报 2023年51卷第10期页码：2708-2714
- 作者机构：
  
  1.东南大学电磁空间研究院,江苏南京 210096
  2.东南大学毫米波国家重点实验室,江苏南京 210096
  3.奥地利国家半导体实验室,奥地利林茨 4020
  4.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥 230088
- 作者简介：
  
  [ "吴杰民男，1998年出生，江苏苏州人.2021年获河海大学工学学士学位.现为东南大学集成电路工程专业硕士研究生.主要研究方向为人工表面等离激元在毫米波、太赫兹频段集成电路应用设计. E-mail: wjm1436435167@163.com" ]
  [ "陆恺男，1997年出生，江苏无锡人.2020年获苏州大学工学学士学位.现为东南大学硕士研究生.主要研究方向为人工表面等离激元在毫米波、太赫兹频段集成电路应用设计.E-mail: 230238236@seu.edu.cn" ]
  [ "汪江鹏男，1998年出生，湖北黄冈人.2020年获东南大学工学学士学位，现为东南大学硕士研究生.主要研究方向为人工表面等离激元毫米波应用、超材料研究. E-mail: jiangp_w@outlook.com" ]
  [ "高昊男，1984年出生，江苏盐城人.荷兰埃因霍温理工大学集成电路专业科学博士、信息化技术工程博士.东南大学2012协同创新中心兼职教授.主要研究方向为太赫兹、毫米波射频集成电路. E-mail: h.gao@ieee.org" ]
  [ "段宗明男，1983年出生，安徽安庆人.博士.现任中国电子科技集团公司第三十八研究所研究员.主要研究方向为射频与毫米波集成电路设计. E-mail: duanzongm@163.com" ]
  [ "崔铁军男，1965年出生，河北承德人.2019年11月当选中国科学院院士.主要研究方向为新型人工电磁材料（电磁超材料）的理论、实验及应用，计算电磁学及其快速算法，目标特性与目标识别等. E-mail: tjcui@seu.edu.cn" ]
  [ "鲍迪（通讯作者）女，1983年出生，江苏徐州人.2006年和2009年分别获得东南大学无线电工程学士学位和硕士学位，2012年获英国伦敦大学博士学位.现为东南大学信息科学与工程学院副教授.主要研究方向为超材料、人工表面等离基元和太赫兹芯片." ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(62288101);国家重点研发计划项目(2017YFA0700201;2017YFA0700202;2017YFA0700203);高等学校学科创新引智计划项目(111-2-05);江苏省前沿领先技术基础研究项目(BK20212002);国家科学技术部资助项目(G2021016011L)
- DOI：10.12263/DZXB.20221260
  中图分类号： TN713;
- 收稿：2022-11-01，
  
  修回：2023-05-07，
  
  纸质出版：2023-10-25
- 稿件说明：
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吴杰民,陆恺,汪江鹏等.基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计[J].电子学报,2023,51(10):2708-2714.

WU Jie-min,LU Kai,WANG Jiang-peng,et al.Design of Novel CMOS Coupled Filters Based on Spoof Surface Plasmon Polaritons[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2023,51(10):2708-2714.
吴杰民,陆恺,汪江鹏等.基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计[J].电子学报,2023,51(10):2708-2714. DOI： 10.12263/DZXB.20221260.

WU Jie-min,LU Kai,WANG Jiang-peng,et al.Design of Novel CMOS Coupled Filters Based on Spoof Surface Plasmon Polaritons[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2023,51(10):2708-2714. DOI： 10.12263/DZXB.20221260.

摘要

本文基于0.18 μm CMOS工艺提出了一种新型微波人工表面等离激元（Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP）耦合式滤波器结构并进行加工和测量，同时设计了一种太赫兹SSPP四边形滤波器并进行了全波仿真.新型微波SSPP耦合式滤波器通带为11~12.3 GHz（

-10 dB，

-3.5 dB），结构紧凑，电尺寸仅为0.018 4

× 0.008 4

，远小于其他基于集成电路工艺设计的无源滤波器.通过优化与调整，可以将新型微波SSPP耦合式滤波器的性能进一步优化到要求范围内.太赫兹SSPP四边形滤波器通带为210.8~241.3 GHz（

-10 dB，

-4.7 dB），带内插入损耗仅为2.7 dB，带外抑制良好.两种SSPP滤波器均采用非接触式电磁耦合的新型能量传递方式，结构设计新颖，并且微波段SSPP耦合式滤波器小型化优势明显，电尺寸仅为0.019

× 0.009

，易于芯片集成.本文提出的两种SSPP滤波器经过等比例缩放，可工作在微波、毫米波以及太赫兹频段，为新型片上无源滤波器的研究设计提供参考和借鉴.

Abstract

In this paper

a novel SSPP (Spoof Surface Plasmon Polariton) filter is proposed

fabricated and measured based on 0.18 μm CMOS technology. Meanwhile an extra terahertz SSPP filter is designed and its full-wave simulations are provided to prove feasibility in THz band. This novel SSPP filter has a passband of 11~12.3 GHz (

-10 dB

-3.5 dB)

and its size is compact with only 0.018 4

× 0.008 4

in electrical size

making it much smaller than other passive filters designed in IC technology. A designed terahertz frequency band SSPP filter

with a full EM simulated passband of 210.8~241.3 GHz (

-10 dB

-4.7 dB)

possesses an in-band insertion loss less than 2.7 dB and an superior out-of-band suppression. Both types of SSPP filters adopt a new energy transfer method of non-contact electromagnetic coupling

with a novel structural design. Moreover

the miniaturization advantage of the microwave section SSPP coupled filter is obvious

with an electrical size of only 0.019

× 0.009

easy to integrate with chips. Equally scaled novel filters proposed in this work can work in microwave

millimeter wave and terahertz frequency band

which could be a reference for the research of on-chip filters in the future.

关键词

Keywords

references

BARNES W L , DEREUX A , EBBESEN T W . Surface plasmon subwavelength optics [J]. Nature , 2003 , 424 ( 6950 ): 824 - 830 .

GRAMOTNEV D K , BOZHEVOLNYI S I . Plasmonics beyond the diffraction limit [J]. Nature Photonics , 2010 , 4 ( 2 ): 83 - 91 .

EBBESEN T W , GENET C , BOZHEVOLNYI S I . Surface-plasmon circuitry [J]. Physics Today , 2008 , 61 ( 5 ): 44 - 50 .

OZBAY E . Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions [J]. Science , 2006 , 311 ( 5758 ): 189 - 193 .

PENDRY J B , MARTÍN-MORENO L , GARCIA-VIDAL F J . Mimicking surface plasmons with structured surfaces [J]. Science , 2004 , 305 ( 5685 ): 847 - 848 .

SHEN X P , CUI T J , MARTIN-CANO D , et al . Conformal surface plasmons propagating on ultrathin and flexible films [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , 2013 , 110 ( 1 ): 40 - 45 .

GUO Y J , XU K D , LIU Y H , et al . Novel surface plasmon polariton waveguides with enhanced field confinement for microwave-frequency ultra-wideband bandpass filters [J]. IEEE Access , 2018 , 6 : 10249 - 10256 .

GUO Y J , XU K D , TANG X H . Spoof plasmonic waveguide developed from coplanar stripline for strongly confined terahertz propagation and its application in microwave filters [J]. Optics Express , 2018 , 26 ( 8 ): 10589 .

XU K D , GUO Y J , DENG X J . Terahertz broadband spoof surface plasmon polaritons using high-order mode developed from ultra-compact split-ring grooves [J]. Optics Express , 2019 , 27 ( 4 ): 4354 .

LI J X , SHI J W , XU K D , et al . Spoof surface plasmon polaritons developed from coplanar waveguides in microwave frequencies [J]. IEEE Photonics Technology Letters , 2020 , 32 ( 22 ): 1431 - 1434 .

XU K D , LU S , GUO Y J , et al . High-order mode of spoof surface plasmon polaritons and its application in bandpass filters [J]. IEEE Transactions on Plasma Science , 2021 , 49 ( 1 ): 269 - 275 .

GUO Y J , XU K D , DENG X J . Tunable enhanced sensing of ferrite film using meander-shaped spoof surface plasmon polariton waveguide [J]. Applied Physics Express , 2019 , 12 ( 11 ): 115502 .

WANG J , ZHAO L , HAO Z C , et al . Splitting spoof surface plasmon polaritons to different directions with high efficiency in ultra-wideband frequencies [J]. Optics Letters , 2019 , 44 ( 13 ): 3374 - 3377 .

LIANG Y , YU H , WEN J C , et al . On-chip sub-terahertz surface plasmon polariton transmission lines with mode converter in CMOS [J]. Scientific Reports , 2016 , 6 : 30063 .

LIANG Y , YU H , FENG G Y , et al . An energy-efficient and low-crosstalk sub-THz I/O by surface plasmonic polariton interconnect in CMOS [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , 2017 , 65 ( 8 ): 2762 - 2774 .

GUO Y J , XU K D , DENG X J , et al . GaAs spoof surface plasmon polariton half-mode substrate integrated waveguide [C]// 2020 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS) . Piscataway : IEEE , 2021 : 1 - 3 .

QI Z H , LI X P , ZHU H A . Low-loss BiCMOS spoof surface plasmon polariton transmission line in sub-THz regime [J]. IET Microwaves , Antennas & Propagation, 2018 , 12 ( 2 ): 254 - 258 .

XU K D , GUO Y J , YANG Q , et al . On-chip GaAs-based spoof surface plasmon polaritons at millimeter-wave regime [J]. IEEE Photonics Technology Letters , 2021 , 33 ( 5 ): 255 - 258 .

GUO Y J , XU K D , DENG X J , et al . Millimeter-wave on-chip bandpass filter based on spoof surface plasmon polaritons [J]. IEEE Electron Device Letters , 2020 , 41 ( 8 ): 1165 - 1168 .

YANG C L , SHU S Y , CHIANG Y C . Analysis and design of a chip filter with low insertion loss and two adjustable transmission zeros using 0.18-μm CMOS technology [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , 2010 , 58 ( 1 ): 176 - 184 .

FRANC A L , PISTONO E , GLORIA D , et al . High-performance shielded coplanar waveguides for the design of CMOS 60-GHz bandpass filters [J]. IEEE Transactions on Electron Devices , 2012 , 59 ( 5 ): 1219 - 1226 .

XU K D , ZHU X , YANG Y , et al . A broadband on-chip bandpass filter using shunt dual-layer meander-line resonators [J]. IEEE Electron Device Letters , 2020 , 41 ( 11 ): 1617 - 1620 .

GE Z Y , CHEN L , GÓMEZ-GARCÍA R , et al . Millimeter-wave wide-band bandpass filter in CMOS technology using a two-layered highpass-type approach with embedded upper stopband [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs , 2021 , 68 ( 5 ): 1586 - 1590 .

XU J , LIU F , JI S Y , et al . An on-chip ultra-wideband bandpass filter in 0.18-μm SiGe BiCMOS technology [J]. IEEE Electron Device Letters , 2022 , 43 ( 7 ): 1009 - 1012 .

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