CN103985942B

CN103985942B - 一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器

Info

Publication number: CN103985942B
Application number: CN201410206757.6A
Authority: CN
Inventors: 刘亮亮; 李茁; 顾长青; 许秉正; 宁苹苹; 陈晨; 陈星宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN103985942A

Abstract

本发明提供一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，包括两端对称的矩形波导，矩形波导到多米诺等离子波导的过渡波导以及中间的多米诺等离子波导；其中，过渡波导包括含横向、纵向渐变的多米诺阵列，多米诺阵列的横向渐变由宽度递减的周期性多米诺方柱实现，纵向渐变由高度递增的周期性多米诺方柱实现；过渡波导的上壁按曲线渐变；多米诺等离子波导由恒定周期的多米诺阵列组成。本发明具有开放的对称结构、尺寸紧凑、宽频带、高传输效率、易于在大规模平面或集成电路中使用等一系列优点。

Description

一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器

技术领域

本发明涉及一种波导转换器结构，尤其涉及一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器结构。

背景技术

表面等离子激元(SurfacePlasmonPolaritons,简称SPPs)是金属表面自由电子和入射光子相互耦合形成的一种非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质界面传播的一种电磁波。金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相干振荡，入射光的电磁场和表面电荷的共振相互作用产生了SPP并赋予它独特的性质。SPPs可以将光学控制的维度从三维降为二维，实现纳米尺度超衍射极限光传输的有效调控，同时可在纳米尺度上实现电磁能量的局域汇聚放大。自1998年T.W.Ebbesen研究了二维周期性金属圆孔结构的透过增强现象以来，SPPs的物理机理及应用研究不断取得突破。随着对其新现象、新机理的研究日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步，逐渐形成了表面等离子体激元光学(Plasmonics)这一新兴学科。

为了在低频段(微波或太赫兹波段)实现光波段的SPPs现象并利用其优越性能实现低频段的等离子超材料器件，2004年，Pendry等人首次提出一种金属人工表面和人工表面等离子激元(SpoofSurfacePlasmonPolaritons,简称SSPPs)的全新概念。在微波或太赫兹波段，金属被假设成理想导体，光滑的金属表面是完全不能传输SPPs的，然而，在金属表面刻蚀周期性分布的孔洞后(孔洞的尺寸和深度均处于亚波长状态)，其表面不仅可以传播类似光波段SPPs现象，还可以实现场的亚波长约束，增强电磁波的渗透作用，从而等效地降低了金属表层的等离子频率，并且周期性结构表层的等效等离子频率可以通过改变周期性结构的几何参数来任意调控，首次解决了低频段SPPs无法产生的关键性难题。2005年，Hibbins等人在微波段用实验证实了SSPPs现象，为人工表面等离子激元技术在低频段的广泛应用提供了可能，也激发了全世界学者对SSPPs的重要应用前景的高度关注和广泛研究。

一直以来，空间传播波到SPPs的转换被广泛地研究，如通过棱镜耦合或衍射光栅来实现，但对于导波到SSPPs的转换却研究甚少。为了能够在微型集成电路中实现信号在等离子超材料器件中的高效传输，东南大学崔铁军教授课题组提出了一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换结构，由传统的非接地共面波导(CoplanarWaveguide,简称CPW)和“牙齿型”等离子波导(超薄的周期性结构金属条带)杂交而成，为了实现信号高效的输入和输出，在两者之间设计了一段匹配过渡带，该匹配过渡部分实现了CPW和等离子波导之间的波矢匹配和阻抗匹配，从而在微波段实现了从导波到SSPPs的高效率和宽频段转换，为等离子功能器件在微波段电路中的高度集成开创了广阔的应用前景。然而，考虑到“牙齿型”等离子波导中传输的电磁场形式，对于其他的传统波导，如矩形波导，上述方案将不再适用。

发明内容

技术问题：本发明的所要解决的技术问题是针对背景技术中涉及的“牙齿型”等离子波导结构不能实现和矩形波导之间的高效转化功能的缺陷，提供一种结构简单对称、尺寸紧凑、易于在大规模平面或集成电路中集成、性能好的矩形波导到多米诺等离子波导转换器，以实现空间导波到SSPPs的高效和宽频带转化。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：包括两端对称的矩形波导和矩形波导到多米诺等离子波导的过渡波导，以及中间的多米诺等离子波导；

其中，过渡波导包括含横向、纵向渐变的多米诺阵列，多米诺阵列的横向渐变由宽度递减的周期性多米诺方柱实现，纵向渐变由高度递增的周期性多米诺方柱实现；过渡波导的上壁按曲线渐变；多米诺等离子波导由恒定周期的多米诺阵列组成。

本发明在深入研究空间导波到SSPPs的转化机理的基础上，借鉴共面波导到等离子波导转化的思想，根据矩形波导(主模TE10波)中传输的空间导波的类型，选用“多米诺型”等离子波导与其构成杂交结构，最终实现矩形波导到“多米诺型”等离子波导的高效转化。

本发明可以根据矩形波导的类型和尺寸来调节过渡波导和多米诺等离子波导的结构尺寸，进而实现微波段或太赫兹波段空间导波到SSPPs的转化，进一步丰富空间导波到SSPPs转化的波导类型和方式，实现等离子超材料在高端平面或集成电路中更为广泛的应用。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明主要提出一种实现矩形波导到多米诺等离子波导的高效转化结构，尤其是结合矩形波导中导波和多米诺等离子波导中SSPPs的传输形式设计出实现矩形波导到等离子波导的高效转化的过渡结构，为实现导波到多米诺SPPs的转化的应用解决了关键性的难题，从而拓展了导波到SSPPs高效转化的适用类型和范围，为其开拓了一种新的应用前景

2.本发明具有双侧矩形波导接口面，支持对称输出结构设计，该杂交波导在结构上包含左右两侧对称的矩形波导以及连接矩形波导和多米诺等离子波导的过渡结构，中间呈恒定周期变化的多米诺等离子波导。这种波导是基于共面波导到“牙齿型”等离子波导转化结构的设计思想，提出了利用高度递增的多米诺结构来实现矩形波导和多米诺等离子波导之间的波数匹配以及矩形波导上壁呈曲线渐变形式来实现矩形波导和多米诺等离子波导之间的阻抗匹配。这种立体结构能实现信号的对称输入和输出方式以及在微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性。

3.尺寸小，易于集成；以X波段矩形波导单个总长l₁＝20毫米为例，转化器结构总长380毫米，且中间多米诺结构呈现周期性阵列形式，所以可以作为平面电路的一部分被集成到大规模集成电路中去，避免了很多设计上的麻烦。

4.效率高、频带宽；以X波段矩形波导为例，在8～12.5GHz范围内S₁₁均在-15dB以下，在8.2～9GHz范围内S₂₁从-2dB逐渐增大到-1dB，在9.5～11.5dB范围内S₂₁均大于-0.55dB，在11.7～12.4GHz范围内，S₂₁在-1dB和-2dB范围内变化。在X波段(8.2～12.4GHz)范围内实现了导波到SSPPs的高效转化。

附图说明

图1是实施例一的侧面俯视图；

图2(a)是实施例二的结构剖面侧视图；

图2(b)是实施例二的X波段矩形波导部分；

图2(c)是实施例二的过渡波导的横向渐变图；

图2(d)是实施例二的过渡波导的纵向渐变图；

图2(e)是实施例二的多米诺等离子波导图；

图3是实施例二过渡波导多米诺阵列的横向宽度的变化对其色散特性的影响曲线图；

图4是实施例二过渡波导多米诺阵列的纵向高度的变化对其色散特性的影响曲线图；

图5是实施例二的S参数效果图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

实施例一

以X波段矩形波导到多米诺等离子波导转换器为例，如图2(a)所示，转换器由左右两侧对称的X波段矩形波导和X波段矩形波导到多米诺等离子波导的过渡波导以及中间恒定周期的多米诺等离子波导组成。过渡波导包括含横向、纵向渐变的多米诺阵列，多米诺阵列的横向渐变由宽度递减的周期性多米诺方柱实现，纵向渐变由高度递增的周期性多米诺方柱实现；过渡波导的上壁按曲线渐变；多米诺等离子波导由恒定周期的多米诺阵列组成。过渡波导和多米诺等离子波导的结构尺寸参数根据矩形波导的类型和尺寸来调节，与矩形波导参数(如波导类型、波导长度、波导横截面尺寸等)相匹配。

实施例二

以如图2(b)所示X波段矩形波导为例，区域I为左右两侧对称的X波段矩形波导。单个总长l₁＝20毫米，波导外壁长A＝25.4毫米，宽B＝12.7毫米，内壁长a₀＝22.86毫米，宽b₀＝10.16毫米。转换器两端的矩形波导均可以作为导波信号的输入/输出端，当其中一个矩形波导作为输入端时，另一矩形波导则为输出端。

左右两侧对称的过渡波导分别与同侧的X波段矩形波导连接，起到将导波信号高效地转化为SSPPs信号的作用。如图2(c)、图2(d)所示，过渡波导区域II包括含横向和纵向渐变的多米诺阵列结构，其上壁按曲线渐变。过渡波导中多米诺阵列的横向渐变多米诺方柱宽度从L₁＝22.86毫米按步长ΔL＝1毫米逐渐减少到宽度L₂＝4.86毫米，用来聚集矩形波导的导波场。由图3可见，多米诺结构横向宽度的变化对其色散特性几乎没有影响。多米诺结构纵向高度的变化对其色散特性的影响如图4所示，据此设计纵向渐变多米诺方柱从高度h₁＝0.25毫米按步长Δh＝0.25毫米逐渐增大到h₂＝5毫米，用来实现矩形波导和多米诺等离子波导之间的波数匹配。多米诺阵列的其余部分保持横向渐变的最终长度L₂和纵向渐变的最终高度h₂。过渡波导上壁按照公式α＝0.1实现渐变，p₁:(x₁,y₁)和p₂:(x₂,y₂)分别为曲线的起始点和终止点，用来实现矩形波导和多米诺等离子波导之间的阻抗匹配，其他三个壁和X波段矩形波导一致，过渡波导内相邻两个多米诺方柱的水平周期间距d＝2.5毫米，单边过渡波导的总长度为l₂＝75毫米。

中间恒定周期的多米诺等离子波导作为SSPPs信号传输的载体。如图2(e)所示，中间部分区域III的多米诺等离子波导由宽度1.5毫米，高度h₂＝5毫米，横向长度L₂＝4.86毫米，水平周期间距d＝2.5毫米，相邻两个多米诺缝隙间隔a＝1毫米的多米诺阵列组成，长度l₃＝190毫米。该实施例转换器总长度为380毫米。

根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图5所示的高效性能，在8～12.4GHz范围内S₁₁均在-15dB以下，在8.2～9GHz范围内S₂₁从-2dB逐渐增大到-1dB，在9.5～11.5dB范围内S₂₁均大于-0.55dB，在11.7～12.4GHz范围内，S₂₁在-1dB和-2dB范围内变化。在X波段(8.2～12.4GHz)范围内实现了导波到SSPPs的高效转化性能。

Claims

1.一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：包括位于所述转换器中间的多米诺等离子波导，位于所述转换器两端的两个矩形波导，和所述两个矩形波导分别到多米诺等离子波导的两个过渡波导，且两个矩形波导和两个过渡波导均关于所述转换器呈两端对称；

其中，过渡波导包括含横向渐变、纵向渐变的多米诺阵列，多米诺阵列的横向渐变朝多米诺等离子波导方向由宽度递减的周期性多米诺方柱实现，纵向渐变朝多米诺等离子波导方向由高度递增的周期性多米诺方柱实现；过渡波导的上壁按曲线渐变；多米诺等离子波导由恒定周期的多米诺阵列组成；过渡波导中的多米诺阵列与多米诺等离子波导连接。

2.根据权利要求1所述的一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：过渡波导中，多米诺阵列的横向渐变采用长度从L₁按照恒定步长ΔL递减到L₂；纵向渐变采用高度从h₁按照恒定步长Δh递增到h₂，多米诺阵列的其余部分保持横向渐变的最终长度L₂和纵向渐变的最终高度h₂；多米诺阵列相邻两个多米诺方柱的水平周期距离为d；过渡波导的上壁按照公式实现渐变，其他三个壁和矩形波导保持一致，其中，(x₁,y₁)和(x₂,y₂)分别为曲线的起点和终点，过渡波导单个总长度为l₂，参数L₁、ΔL、L₂、h₁、Δh、h₂、l₂、d与矩形波导参数相匹配。

3.根据权利要求1或2所述的一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：多米诺等离子波导由相邻两个多米诺方柱的水平周期距离为d，缝隙间隔为a的多米诺阵列组成，多米诺方柱的宽度为d-a、高度为h₂、横向长度为L₂的多米诺阵列组成，总长度为l₃，参数d、a、h₂、L₂、l₃与矩形波导参数相匹配。

4.根据权利要求1或2所述的一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：任意一端的矩形波导作为导波信号的输入端，另一端的矩形波导则为输出端。

5.根据权利要求3所述的一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：任意一端的矩形波导作为导波信号的输入端，另一端的矩形波导则为输出端。