CN106374175B - 基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器。本发明有一介质基板，在介质基板上设置有包括双边周期性金属光栅、基片集成波导、共面波导和耦合结构；双边周期性直金属光栅左端依次连接耦合结构和共面波导，右端分出两个分支分别连接双边周期性金属和基片集成波导；双边周期性直金属光栅为人工表面等离激元传输器，人工表面等离激元传输器表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；该结构有一个输入端口和两个输出端口，在两个输出分支的拐角处采用了弧形等离激元分波器，可以减少电磁波经过弯曲部分时的传播损耗。本发明结构简单，易于制作，适用范围广。

Description

基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器
技术领域
本发明涉及一种分波器，特别是一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器。
背景技术
表面等离激元是束缚于金属与介质表面的电磁波,不受光学衍射极限的限制。人工结构化金属表面能够使电磁波束缚在其表面，构成与表面等离激元模式相类似的表面波，称为人工表面等离激元。通过改变金属表面的结构参数来调控人工表面等离激元的频率，使其延伸到太赫兹和微波段，实现对太赫兹波和微波的强束缚，为在低频段金属表面上实现亚波长波的传输和局域开辟了一条有效途径。
基片集成波导以其重量轻，体积小，低损耗，低辐射，易于集成等优点，在微波、毫米波应用的研究广泛。
目前已提出的基于人工表面等离激元的分波器结构金属的厚度一般近似为无限大，不利于与其它平面有源器件集成。本发明提出一种便于与平面有源器件集成的支持人工表面等离激元的混合型分波器。利用超薄金属表面上设计凹槽深度不变的单周期光栅结构进行波的传导，再利用改变凹槽深度和基片集成波导的结合表面波进行分离，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
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，实现分波目的。
本发明是以如下技术方案实现的：
一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，包括介质基板，在介质基板上设置有人工表面等离激元传输器，双边周期性金属光栅、基片集成波导、共面波导和耦合器；双边周期性直金属光栅左端依次连接耦合器和共面波导，人工表面等离激元传输器右端分出两个分支分别连接双边周期性金属光栅和基片集成波导、；人工表面等离激元传输器表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；共面波导、为导波传输结构，设置在介质基板的左端，人工表面等离激元传输器和双边周期性金属光栅印制在介质基板的正面，基片集成波导印制在介质基板的正反两面。
人工表面等离激元传输器有一个输入端口和两个输出端口，在两个输出分支的拐角处采用了弧形折弯，可以减少电磁波经过弯曲部分时的传播损耗。
所述的人工表面等离激元传输器采用长方形金属薄膜，凹槽上下垂直于长方形金属结构的长度方向，其由多个金属单元构成，金属单元的形状为H形，每个金属单元的长度和宽度均相同；凹槽位于人工表面等离激元传输器的两侧。
所述的人工表面等离激元传输器长方形金属膜的厚度为10mm、上下凹槽深度4mm、凹槽宽度2mm、凹槽的周期5mm。
双边周期性金属光栅长方形金属膜的厚度为18mm、上下凹槽深度8mm、凹槽宽度2mm、凹槽的周期5mm。
基片集成波导总宽度112mm，高度18mm。
所述的耦合器由槽深渐变的周期性金属光栅以及对称设置在周期性金属光栅两侧的弧线形状的金属导体组成；弧线形状的金属导体的弧度方向朝向周期性金属光栅。
介质基板为f4b聚四氟乙烯，介电常数2.65，损耗正切0.001，板子厚度0.5mm。
本发明的有益效果是：（1）采取双面周期性金属光栅与基片集成波导结合，便可实现在微波段的分波；
（2）结构简单，制作方便，双边周期性金属光栅结构具有对电磁场的强束缚，从而使得电磁波沿平面、弯曲、螺旋等不规则表面的传输；
（3）双面周期性金属光栅与基片集成波导结合的结构具有较小尺寸和柔性，能够被运用到具有紧凑的尺寸和特殊功能的微波集成电路中；
（4）金属光栅的宽度、金属光栅的凹槽深度、金属光栅的周期以及基片集成波导的宽度作为基本参数，改变基本参数，即可改变微波的色散曲线，设计满足工作频段的分波器，可运用到微波、毫米波及太赫兹频段；
（5）相比传统的分波器结构更加紧凑，而且结构简单，具有柔性，更易于与集成到微波集成电路中。
附图说明
图1是本发明基于人工表面等离激元的混合型分波器的结构示意图。
图2是单个双边凹槽的结构示意图。
图3 是基片集成波导的结构示意图。
图4 是本发明的高效宽带带通滤波器的场图。
附图标记：1、共面波导，2、槽深渐变的周期性金属光栅，3、弧线形状的金属导体，4、人工表面等离激元传输器，5、介质基板，6、双边周期性金属光栅，7、基片集成波导。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，包括介质基板5，在介质基板5上设置有人工表面等离激元传输器4，双边周期性金属光栅6、基片集成波导7、共面波导1和耦合器；双边周期性直金属光栅4左端依次连接耦合器和共面波导1，人工表面等离激元传输器4右端分出两个分支分别连接双边周期性金属光栅6和基片集成波导7；人工表面等离激元传输器表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；共面波导1为导波传输结构，设置在介质基板5的左端。人工表面等离激元传输器4有一个输入端口和两个输出端口，在两个输出分支的拐角处采用了弧形折弯，可以减少电磁波经过弯曲部分时的传播损耗。
人工表面等离激元传输器4具有尺寸相同、周期一致的凹槽；人工表面等离激元传输器4的槽深与双边周期性金属光栅6不同；金属光栅结构可以弯折、折叠、缠绕、扭曲或者包裹在平滑或不平滑表面上来控制共形表面等离激元的传输。
金属光栅结构的单元结构的长度、高度尺寸小于工作波长，厚度远远小于工作波长，可以将表面波传输束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸范围中，实现能量的高效传输。双边周期性金属光栅6和基片集成波导7以两个弧形设计与人工表面等离激元传输器4相连接，可以减少电磁波经过弯曲部分时的传播损耗，构成高效分波结构。
人工表面等离激元传输器4和双边周期性金属光栅6印制在介质基板5的正面，基片集成波导7印制在介质基板5的正反两面。
共面波导1为导波传输结构，设置在介质基板5的左端；耦合器用于导波和人工表面等离激元传输器之间相互转换。
通过控制金属光栅的宽度、金属光栅的凹槽深度、金属光栅的周期以及基片集成波导的宽度来改变金属表面的色散曲线，设计满足工作频段的分波器结构。
本实施中，如图1所示，人工表面等离激元传输器采用长方形金属薄膜，凹槽上下垂直于长方形金属结构的长度方向。所述金属单元的形状为H形，支持人工表面等离激元的高效传输。介质基板5为f4b，介电常数2.65，损耗正切0.001，板子厚度0.5mm。
耦合器由槽深渐变的周期性金属光栅2以及对称设置在周期性金属光栅两侧的弧线形状的金属导体3组成；弧线形状的金属导体3的弧度方向朝向周期性金属光栅2。
如图2所示，长方形凹槽深度Hmm(双边周期性金属光栅4为4mm，双边周期性金属光栅6为8mm、凹槽宽度2mm、凹槽的周期5mm，通过增大凹槽深度，可以降低传输线传输表面波的截止频率。
如图3所示基片集成波导总宽度112mm，高度18mm。
如图4，图中给出了基于人工表面等离激元的混合型分波器的场图。（a）给出了频率为5 GHz 时的场图，波沿着双边周期性金属光栅6传播，(b) 给出了频率为9GHz 时的场图，波沿着基片集成波导7传播。该图进一步证实了分波器的性能。
本发明的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器具有结构新颖简单、重量轻、性能稳定、便于制作、易于和其它的平面微波毫米波电路集成等优点，因而可以很好的应用在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路中。
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 (7)

1.一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：包括介质基板(5)，在介质基板(5)上设置有人工表面等离激元传输器(4)，双边周期性金属光栅(6)、基片集成波导(7)、共面波导(1)和耦合器；人工表面等离激元传输器(4)左端依次连接耦合器和共面波导(1)，人工表面等离激元传输器(4)右端分出两个分支分别连接双边周期性金属光栅(6)和基片集成波导(7)；人工表面等离激元传输器(4)表面具有尺寸相同、周期一致的凹槽；共面波导(1)为导波传输结构，设置在介质基板(5)的左端，人工表面等离激元传输器(4)和双边周期性金属光栅(6)印制在介质基板(5)的正面，基片集成波导(7)印制在介质基板(5)的正反两面，人工表面等离激元传输器(4)有一个输入端口和两个输出端口，在两个输出分支的拐角处采用了弧形设计。
2.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：所述的人工表面等离激元传输器采用长方形金属薄膜，凹槽上下垂直于长方形金属结构的长度方向，其有多个金属单元构成，金属单元的形状为H形，每个金属单元的长度和宽度均相同；凹槽位于人工表面等离激元传输器的两侧。
3.如权利要求2所述的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：所述的人工表面等离激元传输器(4)长方形金属膜的厚度为10mm、上下凹槽深度4mm、凹槽宽度2mm、凹槽的周期5mm。
4.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：双边周期性金属光栅(6)长方形金属膜的厚度为18mm、上下凹槽深度8mm、凹槽宽度2mm、凹槽的周期5mm。
5.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：基片集成波导(7)总宽度112mm，高度18mm。
6.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：所述的耦合器由槽深渐变的周期性金属光栅(2)以及对称设置在周期性金属光栅(2)两侧的弧线形状的金属导体(3)组成；弧线形状的金属导体(3)的弧度方向朝向周期性金属光栅(2)。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的混合型分波器，其特征在于：介质基板(5)为f4b聚四氟乙烯，介电常数2.65，损耗正切0.001，板子厚度0.5mm。
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