CN105633522B - 基于人工表面等离子体激元的跃层传输线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离子体激元的跃层传输线，包括介质基板，位于所述介质基板两侧的第一金属条带和第二金属条带，以及穿过所述介质基板并连接于第一金属条带和第二金属条带末端、以将金属条带从介质基板一侧连通至另一侧的金属化通孔；所述第一金属条带和第二金属条带由周期性的开槽单元组成。本发明通过金属过孔技术可以实现宽带带宽内的多层层间高效传输，同时具有制作简单和便于加工的特点；具有低串扰、高效特性。单层传输线结构可以被应用在无限薄介质基底上，从而实现超薄超低损传输特性。同时，两种传输线对介质基底的形变不敏感，可以被附在球面、锥面等不平整介质基底表面，形成共形器件及电路系统。

Description

基于人工表面等离子体激元的跃层传输线
技术领域
本发明属于等离子材料及波导材料领域，尤其是基于人工表面等离子激元的跃层传输线。
背景技术
近年来，随着新型人工电磁材料(Metamaterials)的发展，人工表面等离子体(Surface Plasma Polaritons，SPP)效应得到了快速的发展。表面等离子体是在光波段或近红外波段，在金属与介质分界面上所产生的具有高束缚特性的表面波模式。由于在高频段金属不再呈现完美电壁特性（Perfect Electric Conductor，PEC），在金属与介质分界面将存在一定的自由电子。根据麦克斯韦方程及其边界条件可以求得，所激励起的等离子体模式电磁波沿分界面方向均匀传播，而在离开分界面的法向方向上以指数方式高速衰减，从而将该模式下的电磁波有效地束缚在分界面附近。同时，在相同的工作频率下，等离子体模式的工作波长将远小于电磁波在自由空间中的波长。人工表面等离子提供了一个突破衍射极限的全新的思路，因此国内外科研工作者展开了一系列基于高束缚及超短波长特性的研究，例如超分辨率成像、表面等离子体电路、电磁诱导透明、环境及生物探测以及光学增强等
但是由于在低频段，例如微波段以及太赫兹波段，金属所呈现出的完美电壁特性，金属与介质分界面上将无法产生自由电子震荡，因此表面等离子模式将无法直接被激励起。
发明内容
发明目的：提供一种基于人工表面等离子体激元的跃层传输线，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种基于人工表面等离子体激元的跃层传输线，包括介质基板，位于所述介质基板两侧的第一金属条带和第二金属条带，以及穿过所述介质基板并连接于第一金属条带和第二金属条带末端、以将传输线从介质基板一侧连通至另一侧的金属化通孔；所述第一金属条带和第二金属条带由周期性的开槽单元组成。
在一个优选实施例中，所述第一金属条带和第二金属条带均由双侧对称开槽的单元结构组成。所述第一金属条带在介质基板的一侧并沿其长度方向延伸至金属化通孔处，所述第二金属条带在介质基板的另一侧，从金属化通孔处向介质基板的一端延伸；第一金属条带和第二金属条带的延伸方向相同。
在另一实施例中，基于人工表面等离子体激元的跃层传输线还包括位于介质基板中间的第三金属条带；所述第一金属条带和第三金属条带构成第一传输线，第二金属条带和第三金属条带构成第二传输线；所述第一金属条带、第二金属条带和第三金属条带均由单侧开槽的单元结构组成；所述第一金属条带和第二金属条带分别包括平行段和过渡段，第一金属条带和第二金属条带的平行段与第三金属条带平行且位置上下对应；所述过渡段从第一金属条带或第二金属条带长度方向向外伸展，所述金属化通孔穿过介质基板并与过渡段的末端连接。
优选的，调节开槽单元的结构参数，改变截止频率，以实现不同的传输性能。
有益效果：
1、本发明通过金属过孔技术可以实现宽带带宽内的多层层间高效传输。同时，具有制作简单和便于加工的特点：调整人工等离子体单元结构的槽深、槽宽、周期等尺寸，可以快速实现具体不同截止频率的低通特性人工等离子体模式传输线。
2、本发明具有低串扰、高效特性。在本发明中，所使用的人工等离子体结构具有高束缚性，所激励器的类等离子体模式波被高效束缚在结构内部或周围，可以有效降低相邻传输线间串扰。
3、本发明同时超薄、可共形等特性。单层传输线结构可以被应用在无限薄介质基底上，从而实现超薄超低损传输特性。同时，两种传输线对介质基底的形变不敏感，可以被附在球面、锥面等不平整介质基底表面，形成共形器件及电路系统。
附图说明
图1a和图1b为本发明两种实施例的结构示意图。
图2为本发明的波导型传输线过渡段中所涉及的错位开槽结构随两层槽线结构间的水平方向间距变化的色散特性曲线。
图3a和图3b为本发明的超薄型传输线、波导型传输线的仿真和实验S参数的对比结果。
具体实施方式
为解决上述问题，申请人进行了深入地研究：当电磁波照射在周期性排列的通孔上时，其理论色散特性与高频段等离子体材料的色散特性相同。从其色散特性曲线来看，随着频率的升高，表面等离子体模式的特性曲线位于光轴右侧，且逐渐远离光轴。这代表着表面波的波数将逐渐远大于自由空间电磁波波数。根据麦克斯韦方程计算当表面波波数大于自由空间波数时，该表面波沿分界面法向方向将以指数形式衰减。
因此随着频率的上升，人工表面等离子体模式表面波的束缚性将逐渐增强。同时，当频率继续上升，其特性曲线存在一个渐进极值。这表面人工表面等离子体模式存在一个截止频率，当频率高于该截止频率，等离子体模式将无法继续被激励。一系列后续的实验与理论分析进一步证明，一种类似于表面等立体模式的电磁波被激励并束缚在这种周期结构表面。在这里，我们将这种通过设计新型人工电磁材料而激励起的类似于等离子体模式的新现象，称为人工表面等离子体材料。
本发明中，基于人工等离子体激元的跃层传输线是由两种开槽金属条带（传输线）结构通过金属通孔过渡设计实现的。
如图1a和图1b所示，分别为超薄型和波导型人工等离子体激元传输线结构图。
图1a中，超薄型传输线由单层双侧开槽结构1周期排列而成的表面等离子体传输线以及金属化通孔2组成。金属化通孔的存在，有效抑制了上、下两层传输线（金属条带）结构间电磁波的谐振模式，并约束表面波在过渡段附近分布呈传播方向震荡于槽壁之间，保证了跃层过程中的效率。在该实施例中，传输线分成两段，即位于介质基板（未示出）两侧的第一金属条带（传输线）101和第二金属条带102，两者均由周期性开槽单元组成。在该实施例中，第一金属条带和第二金属条带的仅有末端部分上下对应，其余部分位置并不对应，即该实施例中的第一金属条带和第二金属条带的延伸方向相同，第一金属条带从介质基板的一侧并沿介质基板的一端向其中部延伸至金属化通孔位置，第二金属条带从金属化通孔的位置继续向介质基板的另一端延伸。
在其他实施例中，还可以有其他形式，例如第一金属条带和第二金属条带在介质基板的两侧具有更多的重叠部分。
为了更清楚地描述第二个实施例，附图中的附图标记有所不同。
图1b展示了另一种实施例，波导型传输线主要包括双层单侧开槽结构3、弧形过渡金属条带4以及金属化通孔2。该实施例中金属化通孔的功效与上一实施例中金属化通孔的功效相近。但由于该传输线为双层结构，近场模式与开槽尺寸以及槽间介质厚度均有关系，因此直接通过金属通孔传至其他层会因模式失配而造成额外的功率损失。弧形过渡传输线不仅可以避免在反向跃层传输时所遇到的打孔空间问题，更实现了表面波模式匹配过渡，大幅度提升了系统传输效率。
在该实施例中，第一金属条带202、第二金属条带203和第三金属条带201之间设置有介质基板，或者说第三金属条带位于介质基板中间，或者两层介质基板之间。第一金属条带、第二金属条带均由一段与第三金属条带平行对应设置，即为平行段，在平行段，金属条带的延伸方向相同，位置上下对应。在中部，第一金属条带和第二金属条带具有一过渡段，从平行段向远离金属条带延伸的方向伸展，形成一弧形段，延伸至预定位置时，通过金属化通孔将过渡段的末端连接，从而将金属条带从介质基板的一侧连通至另一侧。
图2为过渡传输线中，当两层开槽结构渐变至不同宽度时的色散特性曲线对比图。其中，G为两层开槽结构水平间距，Dip为槽深。从图2中可以看到，当信号从等离子体波导传输线过渡至弧形传输线中点打孔点过程中，单元槽间距从-Dip逐渐增大到0.9Dip，表面模式截止频率从11GHz逐渐上升至18GHz，减少了模式离散度，从而实现了模式匹配。
图3a和图3b分别为两种传输线实验和仿真的S参数对比结果。从图中可以看到，在宽带频带内可以实现高效传输，反射系数均在-10dB一下。并展现出良好的截止效果。单层超薄结构传输线实验和仿真结果完美吻合，双层波导型传输线截止频率存在一定频偏，主要由多层PCB加工工艺以及板材材料参数不稳定造成。
总之，本发明的超薄跃层传输线由周期排布的双侧开槽单元结构以及金属化通孔组成。均匀分布开槽结构可以被激励并支持具备高束缚性、有高频介质效果的类等离子体表面波。金属化通孔抑制了表面波在从介质板一侧金属条带过渡到另一侧金属条带的过程中所存在的模式失配而造成的功率损耗以及两层传输线间的谐振效应，提高了系统传输效率。
本发明的波导型跃层传输线由一对对称周期排布的单侧开槽单元结构、弧形过渡传输线以及金属化通孔组成。双层单侧开槽结构提供束缚性更强的类等离子体模式导波。弧形过渡传输线抑制了因模式失配而造成的功率损耗，金属化通孔抑制了不同层传输线间的谐振效应，提高了系统传输效率。
本发明中的两种传输线通过合适的金属化通孔以及弧形过渡结构实现了在微波段中的表面波及导波模式的类等离子体波从介质的一层传输至另一侧而不引起额外的功率损失。同时具有易于加工、可集成等优点。需要说明的是，金属条带为传输线的一部分，因此在描述时可以换用，这种表述能够为本领域的技术人员所理解，而不会产生歧义。在有些实施例中，单层的金属条带构成传输线，在另一些实施例中，传输线由双层金属条带构成。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于人工表面等离子体激元的跃层传输线，其特征在于，包括介质基板，位于所述介质基板两侧的第一金属条带和第二金属条带，位于介质基板中间的第三金属条带，以及穿过所述介质基板并连接于第一金属条带和第二金属条带末端、以将传输线从介质基板一侧连通至另一侧的金属化通孔；所述第一金属条带和第二金属条带由周期性的开槽单元组成；所述第一金属条带和第三金属条带构成第一传输线，第二金属条带和第三金属条带构成第二传输线；所述第一金属条带、第二金属条带和第三金属条带均由单侧开槽的单元结构组成；所述第一金属条带和第二金属条带分别包括平行段和过渡段，第一金属条带和第二金属条带的平行段与第三金属条带平行且位置上下对应；所述过渡段从第一金属条带或第二金属条带长度方向向外伸展，所述金属化通孔穿过介质基板并与过渡段的末端连接。
2.如权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的跃层传输线，其特征在于，所述第一金属条带在介质基板的一侧并沿其长度方向延伸至金属化通孔处，所述第二金属条带在介质基板的另一侧，从金属化通孔处向介质基板的一端延伸；第一金属条带和第二金属条带的延伸方向相同。
3.如权利要求1或2所述的基于人工表面等离子体激元的跃层传输线，其特征在于，调节开槽单元的结构参数，改变截止频率，以实现不同的传输性能。
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