CN105703047A - 基于人工表面等离激元的低损耗传输线 - Google Patents

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崔铁军
张浩驰
张茜
刘峻峰
汤文轩
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines
    • H01P3/081—Microstriplines

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Abstract

本发明提供了一种基于人工表面等离激元的低损耗传输线，包括介质基板及其上的金属结构，所述金属结构包括共面波导、耦合结构和人工表面等离激元传输线；所述人工表面等离激元传输线由中间向两端依次连接耦合结构和共面波导；所述耦合结构由从所述共面波导延伸出的开口弧面金属结构和槽深渐变的周期性金属结构组成；所述人工表面等离激元传输线由周期性排列的金属单元组成；所述金属单元上设置有垂直于周期性排列人工表面等离激元长度方向的凹槽；所述凹槽位于所述周期性排列人工表面等离激元同侧，所述凹槽的深度和宽度均相同。本发明在较宽频带内，和同样大小的微带线相比，人工表面等离激元传输线具有更低的传输损耗。

Description

基于人工表面等离激元的低损耗传输线
技术领域
本发明是一种结合了人工表面等离激元的低损耗传输线，属于新型人工电磁材料领域。
背景技术
新型人工电磁材料(Metamaterials)是指电磁波在其中传播时具有特殊传导或者辐射特性的人工复合材料，也可以说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，即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。经过十多年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。
由于表面等离激元结构具有独特的性质，在数据储存、超分辨成像和负折射材料等方面有着重要的应用前景，使其成为当前广受国内外学者重视的热点研究领域之一。为了克服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，近来，人们借助于新型人工电磁材料的概念，利用周期褶皱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
微波传输线的损耗是电子传输系统中一个重要的问题，因为损耗可能导致信号的失真等问题。对于传统的微带线，很难通过调整结构参数控制损耗。因此，人们选择低损耗材料和引入额外的空气层衬底来减少损耗，但是这些方法增加了结构复杂性和制造成本。而此次提供了一种关于人工表面等离激元的传输线证明具有更低的传输损耗，对于将来的低损耗电路和系统都具有非常重要的意义。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于人工表面等离激元的低损耗传输线。在微波频段和传统的微带传输线相比相同大小的表面等离激元传输线具有更低的传输损耗。并且这种优异的传输性能没有增加额外的成本，这使得人工表面等离激元传输线被认为是在微波电路和系统中最有潜力的传输线。此外，这种方法也适用于更高频率。
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的低损耗传输线，包括介质基板及其上的金属结构，所述金属结构包括共面波导、耦合结构和人工表面等离激元传输线；
所述人工表面等离激元传输线由中间向两端依次连接耦合结构和共面波导；所述耦合结构由从所述共面波导延伸出的开口弧面金属结构和槽深渐变的周期性金属结构组成；
所述人工表面等离激元传输线由周期性排列的金属单元组成；所述金属单元上设置有垂直于周期性排列人工表面等离激元长度方向的凹槽；所述凹槽位于所述周期性排列人工表面等离激元同侧，所述凹槽的深度和宽度均相同。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：
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。
2.本发明提供一种基于人工表面等离激元的低损耗传输线。在较宽频带内，和同样大小的微带线相比，人工表面等离激元传输线具有更低的传输损耗。
3.本发明在用于不同损耗角正切的介质材料时，也同样具有更低传输损耗的性质。并且这种性质同样适用于更高频率。
4.本发明同时具备便携、重量轻、容易集成等优点。
附图说明
图1是本发明中人工表面等离激元传输线的单元结构。
图2(a)是本发明中人工表面等离激元传输线的整体结构示意图：其中1为人工表面等离激元传输线，2为介质板。S1与S2为共面波导传输线到两侧地面的缝隙间距，L4为渐变共面波导地的长度，W2为渐变共面波导地的宽度，P为人工表面等离激元单元长度，D为单元深度，A为人工表面等离激元单元缝隙宽度；(b)传统的微带线正面结构示意图：其中3为传统的微带传输线，4为介质板；在图(a)和图(b)中，L1、为传输线的长度，L2是为了与端口50欧姆匹配的传输线，L3为渐变传输线的长度。
图3是本发明中的人工表面等离激元传输线在介质无耗的情况下的传输情况。其中，黑色实线是人工表面等离激元传输线的传输系数，黑色虚线是反射系数。
图4是与本发明尺寸相同的传统微带线在介质无耗的情况下的传输情况。其中，黑色实线是微带线的传输系数，黑色虚线是反射系数。
图5是本发明中的传输线的色散情况。其中包括光线(黑色实线)，凹槽深度是2mm的人工表面等离激元的色散曲线(黑色曲线)，凹槽深度是3mm的人工表面等离激元的色散曲线(黑色点曲线)以及同样宽度的微带线的色散曲线(黑色点线)。
图6是本发明中在使用不同损耗角正切(0.01,0.02和0.03)的介质材料情况下，人工表面等离激元(SPP)传输线以及传统微带线的传输系数。
图7是本发明的人工表面等离激元传输线(SPP)以及传统微带线在使用介质基板FR-4(介电常数是4.3，损耗角正切是0.025，厚度是0.5mm)时，CST软件仿真的传输和反射曲线。
图8是本发明的人工表面等离激元传输线(SPP)以及传统微带线在使用介质基板FR-4时的实验测试的传输和反射曲线。
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说明：
如图1、图2所示，本发明一种基于人工表面等离激元的低损耗传输线结构如下：先是中间的部分是周期性排列人工表面等离激元；然后是和端口连接的部分是50欧姆共面波导结构，这样以方便馈电以及测试；最后是人工表面等离激元结构和共面波导结构的传输线部分是一系列凹槽深度线性渐变的耦合结构，采用耦合结构以使阻抗达到匹配状态。人工表面等离激元传输线由周期性排列的金属单元组成；金属单元上设置有垂直于周期性排列人工表面等离激元长度方向的凹槽，即呈“U”型结构；凹槽位于所述周期性排列人工表面等离激元同侧，所述凹槽的深度和宽度均相同。耦合结构由从共面波导延伸出的开口弧面金属结构和槽深渐变的周期性金属结构组成。从共面波导结构到人工表面等离激元结构看去，凹槽的深度是线性变深的，以及和共面波导的地连接的是由指数函数曲线和两条分别垂直和平行水平轴的两条直线组成的曲面。本发明可以利用成熟的PCB加工技术可以完成对本发明的加工。
同时，用于做对比的是一种典型的传统微带线。它的背面是全部金属，即被认为微带线的地；它的正面是一根金属条，即是微带传输线。为了与50欧姆匹配，计算得到的正面传输线如图3所示。为了做到严格的控制变量，微带线的中间主要部分采用的是和人工表面等离激元传输线相等宽度的传输线。由于微带线两端线宽与中间传输线宽小，所以传输线两端和中间的采用线性连接连接。由传输系数可知人工表面等离激元传输线在其传输通带(2GHz到12GHz)内损耗很小，而且在通带内传输系数平滑。
仿真结果显示，在使用不同损耗角正切(0.01,0.02和0.03)的介质材料的情况下，和同样大小的微带线相比，图6所示的仿真结果均证明了人工表面等离激元传输线在3～11.4GHz的频率范围内均具有低损耗的性质。
图6是本发明中在使用不同损耗角正切(0.01,0.02和0.03)的介质材料情况下，人工表面等离激元(SPP)传输线以及传统微带线的传输系数。由图6可知，在采用不同的介质损耗角正切值的电路板时，人工表面等离激元传输线在其传输通带(2GHz到11GHz)内传输系数都要优于传统的微带线，在8GHz时可以达到5dB以上。这表明与微带线相比，人工表面等离激元传输线具有更低的传输损耗。而且随着介质板损耗角正切的加大，人工表面等离激元传输线的低损耗性能更明显。
最后的在使用介质基板FR-4时的仿真和实验结果，如图7和8所示，由此实验验证了表明与微带线相比，人工表面等离激元传输线(SPP)在其传输通带(2GHz到11GHz)具有更低的传输损耗。而传输通带的上下截止频率可由(图2所示)人工表面等离激元单元长度P，单元深度D，单元缝隙宽度A进行调节。因此传输通带可以向上扩展到毫米波乃至太赫兹频段。

Claims (1)

1.基于人工表面等离激元的低损耗传输线，包括介质基板及其上的金属结构，其特征在于，所述金属结构包括共面波导、耦合结构和人工表面等离激元传输线；
所述人工表面等离激元传输线由中间向两端依次连接耦合结构和共面波导；所述耦合结构由从所述共面波导延伸出的开口弧面金属结构和槽深渐变的周期性金属结构组成；
所述人工表面等离激元传输线由周期性排列的金属单元组成；所述金属单元上设置有垂直于周期性排列人工表面等离激元长度方向的凹槽；所述凹槽位于所述周期性排列人工表面等离激元同侧，所述凹槽的深度和宽度均相同。
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