CN102856622A - 基于人工表面等离极化激元的定向耦合器 - Google Patents

基于人工表面等离极化激元的定向耦合器 Download PDF

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沈晓鹏
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本发明公开了一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，包括输入端、隔离端、耦合端、直通端和耦合段，所述输入端、隔离端、耦合端、直通端和耦合段均由平面等离极化激元波导组成，所述平面等离极化激元波导由周期性排列的金属单元组成，所述金属单元上均设置有垂直于所述平面等离极化激元波导长度方向的凹槽，所述凹槽均位于所述平面等离极化激元波导的同侧。当电磁波从输入端激励时，入射电磁波会在器件表面形成表面波，经过中间耦合段的耦合后，不同波长的电磁波会按不同的比例在直通端和耦合端输出。可以使特定频段内不同波长的电磁波在不同端口输出，并且通过等比例放大或缩小尺寸就可以使其工作在任意频段内，具有很高的应用价值。

Description

基于人工表面等离极化激元的定向耦合器
技术领域
本发明属于人工表面等离极化激元领域，具体涉及一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器。
背景技术
基于表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton）的波导可以传导与传统光子电路相同大小带宽的电磁波，并且不受衍射极限的限制。这使得SPP器件在将来很可能实现光子与电子元器件在纳米尺度上的完美结合，因此广受学者关注。
然而自然界的SPP仅存在于光波段，为了在较低频段（THz、GHz）实现SPP，人们提出了人工表面等离极化激元（Spoof Surface Plasmon Polariton）。SSPP是一种可以人工设计，通过改变结构参数，改变表面波色散曲线的新型材料。经过近几年的发展，SSPP得到了长足的发展，在器件设计上有着广泛的应用。
定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。现有的定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线构成，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。传统的波导结构，例如双线传输线、同轴线，当频率升高到微波段时，传输损耗就十分之大。
因此，需要一种新的定向耦合器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器。
为实现上述发明目的，本发明基于人工表面等离极化激元的定向耦合器可采用如下技术方案：
一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，包括输入端、隔离端、耦合端、直通端和耦合段，所述基于人工表面等离极化激元的定向耦合器为平面结构，所述输入端、隔离端、耦合端、直通端和耦合段均由平面等离极化激元波导组成，所述平面等离极化激元波导由周期性排列的金属单元组成，所述金属单元上均设置有垂直于所述平面等离极化激元波导长度方向的凹槽，所述凹槽均位于所述周期渐变平面等离极化激元波导的同侧，其中，所述输入端、隔离端、耦合端和直通端均由单个平面等离极化激元波导组成，所述耦合段由并列设置的第一平面等离极化激元波导和第二平面等离极化激元波导组成，所述第一平面等离极化激元波导的凹槽和所述第二平面等离极化激元波导凹槽相对设置，所述输入端连接所述第一平面等离极化激元波导的一端，所述直通端连接所述第一平面等离极化激元波导的另一端；所述隔离端连接所述第二平面等离极化激元波导的一端，所述耦合端连接所述第二平面等离极化激元波导的另一端，其中，所述输入端和所述隔离端设置在所述耦合段的一端，所述耦合端和所述直通端设置在所述耦合段的另一端。
发明原理：本发明的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其单元结构为金属单元和位于金属单元上的凹槽结构。当电磁波从输入端激励时，入射电磁波会在器件表面形成表面波，经过中间耦合段的耦合后，不同波长的电磁波会按不同的比例在直通端和耦合端输出。可以使特定频段内不同波长的电磁波在不同端口输出，并且通过等比例放大或缩小尺寸就可以使其工作在任意频段内，具有很高的应用价值。
与背景技术相比，本发明提供了一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器可以使特定频段内不同波长的电磁波在不同端口输出，具有很高的应用价值。本发明的定向耦合器的工作带宽大，可以使特定频段的电磁波从不同的端口输出，并且可以通过等比例放大或缩小尺寸就可以使其工作在任意频段内。本发明结构简单，为金属单元和位于金属单元上的凹槽周期排列组成。相比于其他传输线结构，例如导体夹带介质层的带状线、微带线等，结构十分简单。本发明的传输损耗小，电磁波可以传播几十个周期结构。传统的波导结构，例如双线传输线、同轴线，当频率升高到微波段时，传输损耗就十分之大。
附图说明
图1是本发明定向耦合器的仿真结构示意图；
图2是本发明定向耦合器的实物图；
图3是本发明定向耦合器金属单元的主视图；
图4是本发明定向耦合器金属单元的俯视图；
图5是本实施例定向耦合器频率-输出的二维电场仿真关系图，其中，（a）8.8GHz；（b）9.6GHz；（c）10.2GHz；
图6是本实施例定向耦合器频率-输出的仿真拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明基于人工表面等离极化激元的定向耦合器一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，包括输入端1、隔离端2、耦合端3、直通端4和耦合段5。基于人工表面等离极化激元的定向耦合器为平面结构，其中，输入端1、隔离端2、耦合端3、直通端4和耦合段5均由平面等离极化激元波导组成。平面等离极化激元波导由周期性排列的金属单元6组成。本实施例中，金属单元6的形状为矩形片。凹槽61位于金属单元6的中部。凹槽61的宽度和深度均相同。金属单元6为等离极化激元单元结构。金属单元6的厚度小于等于0.02mm。本发明尺寸小，金属单元6的长度、高度尺寸小于工作波长，厚度远远小于工作波长。
金属单元6上均设置有垂直于平面等离极化激元波导长度方向的凹槽61，凹槽61均位于周期渐变平面等离极化激元波导的同侧。其中，输入端1、隔离端2、耦合端3和直通端4均由单个平面等离极化激元波导组成。耦合段5由并列设置的第一平面等离极化激元波导和第二平面等离极化激元波导组成，第一平面等离极化激元波导51的凹槽61和第二平面等离极化激元波导52的凹槽61相对设置，输入端1连接第一平面等离极化激元波导51的一端，直通端4连接第一平面等离极化激元波导51的另一端；隔离端2连接第二平面等离极化激元波导52的一端，耦合端3连接第二平面等离极化激元波导52的另一端，其中，输入端1和隔离端2设置在耦合段5的一端，耦合端3和直通端4设置在耦合段5的另一端。其中，第一平面等离极化激元波导51和第二平面等离极化激元波导52的长度相同。当电磁波从输入端1激励时，入射电磁波会在器件表面形成表面波，经过中间耦合段5的耦合后，不同波长的电磁波会按不同的比例在直通端4和耦合端3输出。可以使特定频段内不同波长的电磁波在不同端口输出，并且通过等比例放大或缩小尺寸就可以使其工作在任意频段内。因此具有很高的潜在应用价值。
请参阅图5和图6所示，图5为定向耦合器的二维电场场强分布图。其中，a、b和c分别为输入端1电磁波的频率为8.8GHz、9.6GHz和10.2GHz的实验情形。实验结果显示：8.8GHz的波在耦合端3输出；9.6GHz的波在直通端4和耦合端3等比例输出；10.2GHz的波在直通端4输出。该定向耦合器实现了波长选择输出的功能。图6为本实施例的定向耦合器的频率-输出关系曲线。
与现有技术相比，本发明的优势：
1、本发明尺寸小；
2、本发明带宽大，支持的频段范围较宽，并且通过等比例放大或缩小尺寸就可以使其工作在任意频段内；
3、本发明结构简单，为周期金属凹槽周期排列组成。相比于其他传输线结构，例如导体夹带介质层的带状线、微带线等，结构十分简单；
4、本发明的传输损耗小，电磁波可以传播几十个周期结构。传统的波导结构，例如双线传输线、同轴线，当频率升高到微波段时，传输损耗就十分之大；
5、本发明为平面化结构设计， 便于器件集成。
如上，本发明与背景技术相比，本发明提供了一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，可以使特定频段内不同波长的电磁波在不同端口输出，具有很高的应用价值。本发明的定向耦合器的工作带宽大，可以使特定频段的电磁波停留在不同的位置，并且可以通过等比例放大或缩小尺寸就可以使其工作在任意频段内。本发明结构简单，为金属单元和位于金属单元上的凹槽周期排列组成。相比于其他传输线结构，例如导体夹带介质层的带状线、微带线等，结构十分简单。本发明的传输损耗小，电磁波可以传播几十个周期结构。传统的波导结构，例如双线传输线、同轴线，当频率升高到微波段时，传输损耗就十分之大。

Claims (7)

1.一种基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，包括输入端（1）、隔离端（2）、耦合端（3）、直通端（4）和耦合段（5），其特征在于，所述基于人工表面等离极化激元的定向耦合器为平面结构，所述输入端（1）、隔离端（2）、耦合端（3）、直通端（4）和耦合段（5）均由平面等离极化激元波导平面组成，所述平面等离极化激元波导由周期性排列的金属单元组成，所述金属单元上均设置有垂直于所述平面等离极化激元波导长度方向的凹槽，所述凹槽均位于所述平面等离极化激元波导的同侧，其中，所述输入端（1）、隔离端（2）、耦合端（3）和直通端（4）均由单个平面等离极化激元波导组成，所述耦合段（5）由并列设置的第一平面等离极化激元波导（51）和第二平面等离极化激元波导（52）组成，所述第一平面等离极化激元波导（51）的凹槽和所述第二平面等离极化激元波导（52）凹槽相对设置，所述输入端（1）连接所述第一平面等离极化激元波导（51）的一端，所述直通端（4）连接所述第一平面等离极化激元波导（51）的另一端；所述隔离端（2）连接所述第二平面等离极化激元波导（52）的一端，所述耦合端（3）连接所述第二平面等离极化激元波导（52）的另一端，其中，所述输入端（1）和所述隔离端（2）设置在所述耦合段（5）的一端，所述耦合端（3）和所述直通端（4）设置在所述耦合段（5）的另一端。
2.如权利要求1所述的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其特征在于，所述金属单元的形状为矩形片。
3.如权利要求1所述的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其特征在于，所述凹槽位于所述金属单元的中部。
4.如权利要求1所述的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其特征在于，所述凹槽的宽度和深度均相同。
5.如权利要求1所述的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其特征在于，所述第一平面等离极化激元波导（51）和所述第二平面等离极化激元波导（52）的长度相同。
6.如权利要求1所述的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其特征在于，所述金属单元为等离子超材料。
7.如权利要求1所述的基于人工表面等离极化激元的定向耦合器，其特征在于，所述金属单元的厚度小于等于0.02mm。
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