CN103199326A - 基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，包括印制在柔性介质上的漏斗形光栅结构光栅结构包括两个位置相对且平行的复合周期直金属光栅结构、两个位置相对的单周期圆弧金属光栅结构、两个位置相对且形成一定张角的单周期直金属光栅结构；复合周期直金属光栅结构的内侧交错设置有一排深凹槽A和浅凹槽B，一组相连的单周期圆弧金属光栅结构和单周期直金属光栅结构的内侧设置有一排深凹槽A，另一组相连的单周期圆弧金属光栅结构和单周期直金属光栅结构的内侧设置有一排浅凹槽B。本发明提供的分波器，首次在微波段实现基于复合周期结构以及单周期结构的超薄柔性薄膜的等离激元分波器，分波效率高，且结构简单、制作方便。

Description

基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器

技术领域

本发明涉及一种分波器，尤其涉及一种印制在柔性超薄介质薄膜上的、厚度接近于零的、基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，属于通信、集成电路和表面波技术领域。

背景技术

人工表面等离激元不受衍射极限的限制，因而可以用于构造小型化器件，在表面技术以及集成电路等方面有重要应用。现有的人工表面等离激元分波器结构，通常为几种槽深不同的有限厚的单周期结构组合而成，不利于实现集成。利用超薄金属表面上设计凹槽深度交替变化的复合周期光栅结构来传输双波段表面波，同时利用凹槽深度不变的单周期光栅结构对复合周期光栅结构中的双波段表面波进行分离，该类器件加工方便，易于集成，两个波段的分离效果好。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种印制在柔性超薄介质薄膜上的、厚度接近于零的、基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，包括印制在柔性介质上的漏斗形光栅结构，所述光栅结构包括两个位置相对且平行的复合周期直金属光栅结构、两个位置相对的单周期圆弧金属光栅结构、两个位置相对且形成一定张角的单周期直金属光栅结构，所述复合周期直金属光栅结构和单周期直金属光栅结构之间通过单周期圆弧金属光栅结构相切过渡连接；所述复合周期直金属光栅结构的内侧交错设置有一排深凹槽A和浅凹槽B，一组相连的单周期圆弧金属光栅结构和单周期直金属光栅结构的内侧设置有一排深凹槽A，另一组相连的单周期圆弧金属光栅结构和单周期直金属光栅结构的内侧设置有一排浅凹槽B；

所述两个复合周期直金属光栅结构构成分波器的一个输入端，所述两个单周期直金属光栅结构构成分波器的两个输出端；所述输入端的前侧设置有金属导线，所述金属导线作为馈源用于激励两个复合周期直金属光栅结构上的双波段表面波，两组相连的单周期圆弧金属光栅结构和单周期直金属光栅结构分别对双波段表面波进行分波。

上述结构的分波器中，所有深凹槽A的宽度和深度相同，所有浅凹槽B的宽度和深度相同；以两个复合周期直金属光栅结构之间的间距、两个单周期直金属光栅结构之间的张角（可通过设计单周期圆弧金属光栅结构的半径和弧度实现）、以及深凹槽A和浅凹槽B的深度、宽度、间距（即周期）等作为基本参数，可以改变该分波器的输入和输出之间的关系。

优选的，所述光栅结构中，所有深凹槽A的周期相同（包括复合周期还是在单周期在内），所有浅凹槽B的周期相同；当然还可以同时设计深凹槽A和浅凹槽B的周期相等。

优选的，所述金属导线为外伸的同轴线内导体。

上述结构的分波器，可以工作在微波频段，通过合理调节复合周期直金属光栅结构上的深凹槽A和浅凹槽B的深度、宽度、间距（即周期）等基本参数可以改变双波段表面波的色散曲线，设计满足工作频率需求的双波段表面波；通过相连接的单周期圆弧金属光栅结构和单周期直金属光栅结构的单波段传输特性对双波段表面波进行分波，利用外伸的同轴线内导体作为金属线来激励复合周期直金属光栅结构上的双波段表面波。

有益效果：本发明提供的基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，具有如下优点：1）首次在微波段实现基于复合周期结构以及单周期结构的超薄柔性薄膜的等离激元分波器；2）能够有效对复合周期结构上的双波段表面波进行分离，双波段的电磁波模式在进入单波段时传输模式不会发生变化，分波效率高；3）结构简单、制作方便，并且单周期圆弧金属光栅结构的完全损耗小，能够实现不同弯曲角度的分波，便于集成；4）通过对基本参数的改变，能够适应与微波、毫米波和太赫兹波段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为复合周期结构和单周期结构的色散曲线；

图3为沿纵向传播的近场仿真和实验测试图，其中图3(a)为5.2GHz的仿真图，图3(b)为10.2GHz的仿真图，图3(c)为5.2GHz的实验测试图，图3(d)为10.2GHz的实验测试图；

图4为两个单周期直金属光栅结构输出信号的频谱图，其中图4(a)为设置有深凹槽A的频谱图，图4(b)为设置有浅凹槽B的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，包括印制在柔性介质上的漏斗形光栅结构，所述光栅结构包括两个位置相对且平行的复合周期直金属光栅结构1、两个位置相对的单周期圆弧金属光栅结构2、两个位置相对且形成一定张角的单周期直金属光栅结构3，所述复合周期直金属光栅结构1和单周期直金属光栅结构3之间通过单周期圆弧金属光栅结构2相切过渡连接；所述复合周期直金属光栅结构1的内侧交错设置有一排深凹槽A和浅凹槽B，一组相连的单周期圆弧金属光栅结构2和单周期直金属光栅结构3的内侧设置有一排深凹槽A，另一组相连的单周期圆弧金属光栅结构2和单周期直金属光栅结构3的内侧设置有一排浅凹槽B；

所述两个复合周期直金属光栅结构1构成分波器的一个输入端，所述两个单周期直金属光栅结构3构成分波器的两个输出端；所述输入端的前侧设置有金属导线4，所述金属导线4作为馈源用于激励两个复合周期直金属光栅结构1上的双波段表面波，两组相连的单周期圆弧金属光栅结构2和单周期直金属光栅结构3分别对双波段表面波进行分波；所述金属导线4为外伸的同轴线内导体。

本案中，深凹槽A和浅凹槽B除了深度不同外，宽度与周期均相同，另外，所有深凹槽A的结构、周期相同，所有浅凹槽B的结构、周期相同，所述两个单周期直金属光栅结构3的张角为60°；通过对深凹槽A和浅凹槽B的参数调整，可以控制金属表面的色散曲线分布，从而实现不同工作频率上的高效传输。记金属光栅结构的宽度均为h，深凹槽A的深度为d₁，浅凹槽B的深度为d₂，深凹槽A和浅凹槽B的宽度均为w，相邻深凹槽A和相邻浅凹槽B的间距（即周期）均为p。

如图2所示，为复合周期直金属光栅结构1的第一个模式和第二个模式的色散曲线以及两个单周期直金属光栅结构3的色散曲线，从图中可以看出，复合周期直金属光栅结构1中的两个模式的色散曲线分别与两个单周期直金属光栅结构3的色散曲线对应。

从分波器的输入端（两个复合周期直金属光栅结构1）输入电磁波，有两个波段的表面波被现在复合周期直金属光栅结构1表面传输，在两个单周期直金属光栅结构3分支，分别只能传输复合周期直金属光栅结构1中的低频段表面波和高频段表面波，从而实现分波功能。

如图3所示，给出了5.2GHz和10.2GHz时仿真和实验测试得到的二维电场分布图，从图中的近场分布可以看出，当频率为5.2GHz时，表面波仅沿着复合周期直金属光栅结构1和设置深凹槽A的单周期圆弧金属光栅结构2和单周期直金属光栅结构3一侧传输，当频率为10.2GHz时，表面波仅沿着复合周期直金属光栅结构1和设置浅凹槽B的单周期圆弧金属光栅结构2和单周期直金属光栅结构3一侧传输。

如图4所示，图中给出了两个单周期直金属光栅结构3输出信号的频谱图，4(a)为设置深凹槽A的单周期直金属光栅结构3输出信号频谱图，4(b)为设置浅凹槽B的单周期直金属光栅结构3输出信号频谱图；可以看出，两个分支都仅有一个频段的信号输出。

本案中的光栅结构，可以根据工作频段的不同，采用不同加工工艺进行加工，比如线切割或光刻。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，其特征在于：包括印制在柔性介质上的漏斗形光栅结构，所述光栅结构包括两个位置相对且平行的复合周期直金属光栅结构（1）、两个位置相对的单周期圆弧金属光栅结构（2）、两个位置相对且形成一定张角的单周期直金属光栅结构（3），所述复合周期直金属光栅结构（1）和单周期直金属光栅结构（3）之间通过单周期圆弧金属光栅结构（2）相切过渡连接；所述复合周期直金属光栅结构（1）的内侧交错设置有一排深凹槽A和浅凹槽B，一组相连的单周期圆弧金属光栅结构（2）和单周期直金属光栅结构（3）的内侧设置有一排深凹槽A，另一组相连的单周期圆弧金属光栅结构（2）和单周期直金属光栅结构（3）的内侧设置有一排浅凹槽B；

所述两个复合周期直金属光栅结构（1）构成分波器的一个输入端，所述两个单周期直金属光栅结构（3）构成分波器的两个输出端；所述输入端的前侧设置有金属导线（4），所述金属导线（4）作为馈源用于激励两个复合周期直金属光栅结构（1）上的双波段表面波，两组相连的单周期圆弧金属光栅结构（2）和单周期直金属光栅结构（3）分别对双波段表面波进行分波。

2.根据权利要求1所述的基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，其特征在于：所述光栅结构中，所有深凹槽A的周期相同，所有浅凹槽B的周期相同。

3.根据权利要求1所述的基于复合周期和单周期的表面等离激元分波器，其特征在于：所述金属导线（4）为外伸的同轴线内导体。

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