CN104332686A - 一种基于人工表面等离激元器件的波导结构及放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元器件的波导结构，包括介质层，以及固定连接在介质层两侧且相对的第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片上分别设有周期排列的凹槽，位于金属片中部的凹槽的深度相等，位于金属片两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于金属片中部的凹槽的深度相等。该波导结构由新型人工表面等离激元单元按照特定的排列组成，方便的制作曲面共型电路，具有很高的实用价值；同时还提供了一种基于人工表面等离激元器件波导结构的放大器，该放大器可以在很宽的频带内，实现人工表面等离激元波放大的功能。

Description

一种基于人工表面等离激元器件的波导结构及放大器

技术领域

本发明涉及一种人工电磁材料，具体来说，涉及一种基于人工表面等离激元器件的波导结构及放大器。

背景技术

新型人工电磁材料(Metamaterials)是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。新型人工电磁材料是基于等效媒质理论所提出的，可以通过改变新型人工电磁材料单元结构的尺寸来改变等效介电常数和磁导率的人工复合结构。经过十多年的发展，新型人工电磁材料取得了快速的发展，在隐身、天线工程等方面都有着广泛的应用。

近年来基于表面等离激元结构得到了长足的发展，因为这种结构所具有的独特性质，使其在业内被普遍认为是集成光路未来发展的希望。但是由于金属在较低的频段无法表现出其介电常数为负值的特性,使得这种结构的优异特性无法在较低的频段内得以再现。但借助于新型人工电磁材料的概念，人们利用周期阵列结构成功模拟了表面等离激元在光波段的性质，业内称这种特殊结构为人工表面等离激元。这种新型的传输结构与传统的光波段的表面等离激元具有相似的特性可能成为微波电路未来发展的方向之一。

已经报道的单层人工表面激元结构,因为其结构尺寸的限制，如果直接将其运用在微波频段显得较为累余，并不能很好的发挥其特殊的物理性质。而且因为这种结构大多为单导体结构，所以较难在这种结构上集成有源芯片。而根据现有的报道，针对这种结构所提出的表面等离激元和导波转换装置，由于其需要附加两个面积庞大的渐变式的共面波导结构，在实际大规模电路设计中有较大的限制。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于人工表面等离激元器件的波导结构，该波导结构由新型人工表面等离激元单元按照特定的排列组成，具有易于加工、成本低、厚度薄、重量轻等优点，方便的制作曲面共型电路，具有很高的实用价值；同时还提供了一种基于人工表面等离激元器件波导结构的放大器，该放大器可以在很宽的频带内，实现人工表面等离激元波放大的功能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于人工表面等离激元器件的波导结构，该波导结构包括介质层，以及固定连接在介质层两侧且相对的第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片上分别设有周期排列的凹槽，且第一金属片上的凹槽开口方向和第二金属片上的凹槽开口方向相反；位于第一金属片中部的凹槽的深度相等，位于第一金属片两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第一金属片中部的凹槽的深度相等；位于第二金属片中部的凹槽的深度相等，位于第二金属片两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第二金属片中部的凹槽的深度相等。

一种上述的波导结构的人工表面等离激元放大器，该放大器包括集成放大器芯片、介质层，以及固定连接在介质层两侧的第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片上分别设有凹槽，且第一金属片上的凹槽开口方向和第二金属片上的凹槽开口方向相反；位于第一金属片中部的凹槽的深度相等，位于第一金属片两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第一金属片中部的凹槽的深度相等；位于第二金属片中部的凹槽的深度相等，位于第二金属片两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第二金属片中部的凹槽的深度相等；集成放大器芯片位于第一金属片的中部，且集成放大器芯片通过纵向金属条固定连接在第一金属片上，纵向金属条固定连接在介质层上。

进一步，所述的纵向金属条与第一金属片相垂直。

进一步，所述的第一金属片的凹槽开口方向向下。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术可以完成对本发明的加工。传统的人工表面等离激元器件为三维立体结构，需要复杂的工序，加工繁琐，并且价格昂贵。

2.本发明相比于已经报道的单层人工表面等离激元器件，具有更强的次波长效应和场局域效果。因为本发明利用两层金属之间的显著耦合，使得整体的表面等离子体频率显著降低，从而使得本发明的结构在相同频率下表现出更为显著的类表面等离激元性质，比如次波长效应和场局域特点。

3.本发明同时具备便携、重量轻、容易集成等优点。相比于传统的人工表面等离激元器件，本发明厚度薄、重量轻、易于共形。因为传统的人工表面等离激元器件实际是3D的金属结构，而本发明仅仅是在介质与表面敷上两层很薄的金属。因此显然具有上述特点。

4.本发明可以仅仅通过调节结构的几何尺寸来改变器件的色散特性。调节简单，扩展性良好。因为结构整体上是利用金属单元结构的谐振效果来降低其等效的体相等离子谐振频率，因此，调节金属结构，相当于调节了其金属结构的谐振频点，使等离子频率发生变化，从而改变其色散特性。

附图说明

图1是本发明中波导结构的正视图。

图2是本发明中波导结构的后视图。

图3是本发明中放大器的正视图。

图4是本发明中放大器的后视图。

图5是具有不同槽深的波导结构的色散行为曲线，槽深用h表示。

图6是本发明中放大器的级联网络拓扑图。

图7是本发明中放大器S参数的仿真结果图。

图8是本发明中放大器S参数的实验结果图。

图中有：第一金属片1、第二金属片2、介质层3、集成放大器芯片4、纵向金属条5。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种基于人工表面等离激元器件的波导结构，包括介质层3，以及固定连接在介质层3两侧且相对的第一金属片1和第二金属片2。第一金属片1和第二金属片2上分别设有周期排列的凹槽，且第一金属片1上的凹槽开口方向和第二金属片2上的凹槽开口方向相反。第一金属片1和第二金属片2上的凹槽都成梳状结构。位于第一金属片1中部的凹槽的深度相等，位于第一金属片1两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第一金属片1中部的凹槽的深度相等。位于第二金属片2中部的凹槽的深度相等，位于第二金属片2两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第二金属片2中部的凹槽的深度相等。

上述波导结构，通过两层介质之间的耦合，使得其表面等离子体频率进一步降低，使得其支持的模式表现为一种人工等离激元模式。这种模式较传统导波模式具有更小的等效波导波长，这个性质可以用于构建小型化的器件。这种模式的另一个显著特点是具有显著的场局域效果，这一点可以被利用于降低相邻波导之间的串扰。

上述波导结构中，第一金属片1和第二金属片2均为周期型类光栅结构，并且第一金属片1和第二金属片2构成反称关系。该波导结构为超薄、可共型的波导结构。通过改变第一金属片1和第二金属片2中凹槽的开槽深度、开槽宽度、结构的大小，可以达到调节其支持模式的传播性质的目的，包括但不限于截止频率、传播常数。如图5所示，它表征了通过改变结构中凹槽的开槽深度后，这种结构所支持的模式的传播常数之间的变化关系。从图5中可以明显的发现，随着槽深h的增加，其等效的等离子体频率显著降低，并且相同频率，槽深较大的单元，所支持的模式传播常数亦较大。根据色散方程，其他方向的凋落场衰减速度更快，场局域效果越好。

通过对波导结构进行符合特定规律的周期延拓，比如构成直波导，这是周期直线延拓，需要折弯是周期沿着圆弧延拓，诸如类似的，可形成表面等离激元波导和其他相关功能器件。

本发明的新型反对称人工表面等离激元波导结构具有两大优点。首先，因其表面等离子频率较现有技术进一步降低，从而可以使其次波长和场局域效应显著增强，可进一步增强其低串扰的特点。这一特点在信号完整性和电路布线方面拥有巨大的应用价值。其次，设计了紧凑有效的人工表面等离激元和微带之间的转换装置，可以在很宽的频带内，实现微带传输的信号与表面等离激元模式的信号的高效转换。在保证转换效率的同时，几乎不增加版图面积，减小了版图布线负担，成功改善其布线特性。因此这种人工表面等离激元波导结构在微波电路方面有巨大的应用前景。

如图3和图4所示，本发明的基于上述波导结构的人工表面等离激元放大器，包括集成放大器芯片4、介质层3，以及固定连接在介质层3两侧的第一金属片1和第二金属片2。第一金属片1和第二金属片2上分别设有凹槽，且第一金属片1上的凹槽开口方向和第二金属片2上的凹槽开口方向相反。位于第一金属片1中部的凹槽的深度相等，位于第一金属片1两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第一金属片1中部的凹槽的深度相等。位于第二金属片2中部的凹槽的深度相等，位于第二金属片2两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第二金属片2中部的凹槽的深度相等。集成放大器芯片4位于第一金属片1的中部，且集成放大器芯片4通过纵向金属条5固定连接在第一金属片1上，纵向金属条5固定连接在介质层3上。

进一步，所述的纵向金属条5与第一金属片1相垂直。

进一步，所述的第一金属片1的凹槽开口方向向下。当然，第一金属片1的凹槽开口方向也可以向下。

如图6所示，上述结构的放大器使得放大器可以方便的集成在人工表面等离激元器件之间，使得最新提出的基于人工表面等离激元的有源器件成为现实。这是第一次在实验层面上实现了对于人工表面等离激元波的放大。其与普通放大器的区别主要体现在其激励和输出所用的模式，均为人工表面等离激元波的模式。因此其技术优点主要由这种波导的有点所决定。

本发明的表面等离激元放大器，是由被介质基板隔开，正反形成反称关系的凹形金属结构构成的单元结构经过周期性排列所构成。这种人工表面等离激元放大器结构是由两根直线型波导和集成放大器芯片所构成。

本发明的表面等离激元放大器结构的原理是基于表面等离激元单元进行有序的周期排列所构成的。其结构由反对称的梳状结构构成，中间由介质基板隔开。当TM模式的波对这种周期结构进行激励时，可激励起仅在周期方向为传播模式的，在另外两个正交方向上表现为自然指数衰减的表面等离激元模式。其色散行为的表现类比于光学波段下表面等离激元的色散性质。当频率接近结构的截至频率时，其表现出更加显著的场束缚及亚波长特性。正是由于这种结构拥有非常强的场局域效果，使得这种结构的串扰很小(即两条相互靠的很近的传输线由于互感和互容引起的电磁耦合)，这个优良特性使其在高速电路中具有潜在的应用前景。但是与光波段SPP性质所不同的是，这种结构可以仅仅通过调节其结构单元的开槽的深度和宽度，就可以方便的调节其结构的色散特性。

因为传统微波结构从同轴结构端口馈入的信号的主模式为TEM模式，与本发明所提到的人工表面等离激元波导结构支持的TM模式之间存在模式失配，因此需要使用过度结构进行较好的模式转换。在考虑人工表面等离激元波导阻抗与微带波导之间阻抗与波矢匹配的情况下，我们运用梯度折射率结构，在本结构的前后两端设置了紧凑的转换结构(该转换结构是指结构两端槽深渐变的和微带逐渐缩小的部分)，实现了表面等离激元波导与微带线之间的高效率转换。通过打邦定线技术，将一块放大器集成芯片加载于本发明所提到的SPP波导上面使其成为独立的人工表面等离激元放大器件。

本发明的波导结构中，包括正反面形成反对称关系的第一金属片1和第二金属片2，第一金属片1和第二金属片2由介质层3隔开。调节第一金属片1和第二金属片2的开槽深度，可调节结构单元的色散特性。以人工表面等离激元单元为基础，通过周期排列凹槽，构成表面等离激元波导及其他器件。通过加载集成芯片以及打邦定线技术，构成有效的人工表面等离激元放大器件。利用相应的微波网络的方法，得出S参数级联公式，用以简单估计放大器件的放大效果。其公式如下：

S_p＝S_pp+S_pc(Γ-S_cc)^-1S_cp

其中S_p,S_pp,S_pc,S_cp,S_cc和Γ由下面给出，其端口的网络拓扑如图6所示。

$S_p=\left[\begin{array}{cc}S11& S12\\ S21& S22\end{array}\right],$ $S_{\mathrm{pp}}=\left[\begin{array}{cc}S11& 0\\ 0& S22\end{array}\right],$ $S_{\mathrm{pc}}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& S_{13}& 0\\ 0& 0& 0& S_{26}\end{array}\right],$

$S_{\mathrm{cp}}={\left[\begin{array}{cccc}0& 0& S_{31}& 0\\ 0& 0& 0& S_{62}\end{array}\right]}^T,$ $S_{\mathrm{cc}}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{55}& S_{54}& 0& 0\\ S_{45}& S_{44}& 0& 0\\ 0& 0& S_{33}& 0\\ 0& 0& 0& S_{66}\end{array}\right],$ $\mathrm{\Γ}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right].$

S的下标由下面公式给出：

$S_{\mathrm{mn}}=\frac{b_m}{a_n}{|}_{a_t=0,t\≠n}$

$\mathrm{Sfd}=\frac{b_f}{a_d}{|}_{a_t=0,t\≠d}$

其中，m＝1、2、3、4、5、6。n＝1、2、3、4、5、6。a表示相应端口的入射波，b表示相应端口的反射波。f＝1、2，d＝1、2。Sfd表示S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂中的任意一个。

对给定结构尺寸的器件S参数使用商用软件cst studio suite和advanceddesign system进行联合仿真。器件的结构尺寸为：周期p＝1.8mm，开缝宽度g＝0.6mm，总体宽度w＝1.5mm，开缝深度h＝1.2mm，覆铜厚度t＝0.018mm和介质板厚度d＝0.17mm.。所用介质板为F4B，其材料参数如下：介电常数ε＝2.65，损耗正切角tanδ＝0.001。仿真结果如图7所示。同时，对上述尺寸的器件利用AgilentVector Network Analyzer(VNA,N5230C)进行的S参数测量实验。实验结构如图8所示。

.从仿真与实验的结果来看，采用这种结构，人工表面等离激元波可以被有效放大，增益可接近20dB。

Claims (4)

1.一种基于人工表面等离激元器件的波导结构，其特征在于，该波导结构包括介质层（3），以及固定连接在介质层（3）两侧且相对的第一金属片（1）和第二金属片（2），第一金属片（1）和第二金属片（2）上分别设有周期排列的凹槽，且第一金属片（1）上的凹槽开口方向和第二金属片（2）上的凹槽开口方向相反；位于第一金属片（1）中部的凹槽的深度相等，位于第一金属片（1）两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第一金属片（1）中部的凹槽的深度相等；位于第二金属片（2）中部的凹槽的深度相等，位于第二金属片（2）两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第二金属片（2）中部的凹槽的深度相等。

2.一种基于权利要求1所述的波导结构的人工表面等离激元放大器，其特征在于，该放大器包括集成放大器芯片（4）、介质层（3），以及固定连接在介质层（3）两侧的第一金属片（1）和第二金属片（2），第一金属片（1）和第二金属片（2）上分别设有凹槽，且第一金属片（1）上的凹槽开口方向和第二金属片（2）上的凹槽开口方向相反；位于第一金属片（1）中部的凹槽的深度相等，位于第一金属片（1）两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第一金属片（1）中部的凹槽的深度相等；位于第二金属片（2）中部的凹槽的深度相等，位于第二金属片（2）两端的凹槽深度分别沿着从端部向中部逐渐增加，直至和位于第二金属片（2）中部的凹槽的深度相等；

集成放大器芯片（4）位于第一金属片（1）的中部，且集成放大器芯片（4）通过纵向金属条（5）固定连接在第一金属片（1）上，纵向金属条（5）固定连接在介质层（3）上。

3.按照权利要求2所述的人工表面等离激元放大器，其特征在于，所述的纵向金属条（5）与第一金属片（1）相垂直。

4.按照权利要求2所述的人工表面等离激元放大器，其特征在于，所述的第一金属片（1）的凹槽开口方向向下。