CN106374176A - 用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线及其多层传输电路和多功能器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线及其多层传输电路和多功能器件，由一种开槽‑平坦金属条带传输线组成，并通过调整两条开槽条带1和3中的开槽方向来实现隔离模式和互耦模式之间的转换。互耦模式下，耦合效果可以通过调整传输线长度来控制。而在隔离模式下，该多层传输线可以被用于多功能器件的实现。本发明具有易于加工、成本低、可共型和便于集成等优点。

Description

用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线及其多层传输 电路和多功能器件

技术领域

本发明属于等离子体材料及波导材料领域，尤其涉及一种基于人工等离子体激元结构的多层传输线及其在多功能器件中的应用。

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。根据其高束缚性以及超短工作波长等特性，SPP模式被广泛应用于克服衍射极限、高分辨率成像、电磁诱导透明、光伏电池以及生物探测等领域的研究。

由于SPP模式只能在高频段被激励，因此大量科研人员着手研究在低频段类似于SPP模式的效果。早在2004年和2005年，Pendry教授和Hibbins教授便利用周期方孔的超材料设计在微波段理论预测并实验验证了一种类SPP波的新模式(poof Surface PlasmaPolaritons，SSPP)。该工作发表后，引起了学术界对SSPP模式深入研究的热潮。大量关于SSPP的工作被发表。例如高阶SSPP模式，磁导体表面的SSPP模式等。2013年，马教授的文章利用共面波导转SSPP波导的结构设计，第一次实现了SSPP的高效激励。自此，一系列基于SSPP模式的器件诸如滤波器、功分器、反向传输、辐射单元以及彩虹局域被发表。随着SSPP研究的不断深入，其余传统电路系统对接的要求不断迫切，研究其在多层电路中的传输将对其今后在等离子体电路中的地位起到至关重要的作用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线及其多层传输电路和多功能器件，其具有低串扰、高效特性、隔离可调特性同时可共形、可用于多功能器件。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线，包括介质基板一、第一金属条带(1)、第二金属条带(2)，所述第一金属条带(1)、介质基板一、第二金属条带(2)由上到下依次设置；所述第一金属条带(1)设有槽口一(11)，所述槽口一(11)在第一金属条带(1)上周期性排列，所述第一金属条带(1)、第二金属条带(2)形成单层传输线。

一种用于传输人工表面等离子体激元的双层传输电路，包括介质基板一、介质基板二、第一金属条带(1)、第二金属条带(2)、第三金属条带(3)，第一金属条带(1)、介质基板一、第二金属条带(2)、介质基板二、第三金属条带(3)由上到下依次设置；所述第三金属条带(3)设有槽口二(31)，所述槽口二(31)在第三金属条带(3)上周期性排列；所述第一金属条带(1)、第三金属条带(3)共用第二金属条带(2)作为接地层，而第一金属条带(1)、第二金属条带(2)、第三金属条带(3)形成双层传输线。

优选的：所述第一金属条带(1)的槽口一(11)的开口方向和第三金属条带(3)的槽口二(31)的开口方向相反时，该基本传输线中的各层传输线分别独立工作，各层传输线直接实现良好的隔离度。

优选的：所述第一金属条带(1)的槽口一(11)的开口方向和第三金属条带(3)的槽口二(31)的开口方向相同时，该基本传输线中的各层传输线直接将产生强烈的耦合，且耦合效果通过调整传输线的长度而进行调控。

一种传播SSPP模式的多层传输电路，包括两个以上的基本传输线，所述基本传输线叠放在一起。一种多功能器件，所述多功能器件基于该多层传输电路而设计，当基本传输线工作在隔离模式下，各层基本传输线可以分别同时实现不同的功能器件，而不产生相互影响。

优选的：包括SRR单元一(4)和SRR单元一(5)，相邻的两个槽口一(11)之间形成有槽口栅条一(12)，且所述槽口栅条一(12)插入到SRR单元一(4)的开口内，同时相邻的两个SRR单元一(4)间隔一个槽口栅条一(12)；相邻的两个槽口二(31)之间形成有槽口栅条二(32)，且所述槽口栅条二(32)插入到SRR单元二(5)的开口内，同时相邻的两个SRR单元二(5)间隔一个槽口栅条二(32)。

有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明具有低串扰、高效特性。在本发明中，所使用的人工表面等离子体结构具有高束缚性，所激励起的人工表面等离子体模式波被高效束缚在结构内部或周围，并对相邻层通道的传播没有影响。

2、本发明具有隔离可调特性。在本发明中，多层人工表面等离子体传输线各层间信号的隔离与耦合，可以通过调整传输线长度和开槽方向来调控。

3、本发明同时可共形、可用于多功能器件等特性。本发明所述多层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。并且由于各层间可独立工作，不同功能器件可同时在各层实现。

附图说明

图1是本发明中基本传输线结构示意图。

图2是本发明的多层传输线在隔离状态下的结构示意图。

图3是本发明的多层传输线在互耦状态下的结构示意图。

图4是本发明的多层传输线应用于双功器的结构示意图。

图5是本发明的多层传输线在隔离状态下传输效率。

图6是本发明的多层传输线应用于双功器的传输效率。

图7是本发明的双层传输线的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线，该基本传输线是由一种开槽-平坦金属条带基本传输线结构叠加设计实现的。如图1所示，包括介质基板一6、第一金属条带1、第二金属条带2，所述第一金属条带1、介质基板一6、第二金属条带2由上到下依次设置；所述第一金属条带1设有槽口一11，所述槽口一11在第一金属条带1上周期性排列；所述第二金属条带2为平坦金属条带。开槽金属条的用于激励和支持SSPP模式，平坦金属条带用于实现各层间的有效隔离。通过传统微带线激励该基本传输线，所激励器的模式被束缚在两条金属条带直接以及金属条带1周围。本实施通过第一金属条带1、第二金属条带2形成单层传输线。

如图2、7所示，一种用于传输人工表面等离子体激元的双层传输电路，包括介质基板一6、第一金属条带1、第二金属条带2、介质基板二7以及第三金属条带3，第一金属条带1、介质基板一6、第二金属条带2、介质基板二7以及第三金属条带3由上到下依次设置；所述第三金属条带3设有槽口二31，所述槽口二31在第三金属条带3上周期性排列；其中，所述第一金属条带1、第三金属条带3共用第二金属条带2作为接地层，而第一金属条带1、第二金属条带2、第三金属条带3形成双层传输线。

隔离模式：当第一金属条带1的槽口一11的开口方向和第三金属条带3的槽口二31的开口方向相反时，该基本传输线中的各层传输线分别独立工作，即该基本传输线工作于隔离状态，各层传输线直接实现良好的隔离度。第二金属条带2的存在，有效抑制了上、下两层传输线结构间电磁波的耦合，并保证了各层传输的效率。

互耦模式：如图3所示，当第一金属条带1的槽口一11的开口方向和第三金属条带3的槽口二31的开口方向相同时，由于近场在第二金属条带2附近的绕射特性以及两层槽结构之间的耦合，使得信号可以有效从上层传输线耦合至下层传输线。即该基本传输线中的各层传输线直接将产生强烈的耦合，且耦合效果可以被控制。具体的上层传输线的场将会被耦合至下层传输线结构中。耦合效率可以通过调整传输线的长度而进行有效调控。

一种传播SSPP模式的多层传输电路，包括两个以上的基本传输线，所述基本传输线叠放在一起。

一种多功能器件，图4所示为该多层传输线在多功能器件中的一个应用实例。所述多功能器件基于双层传输电路而设计，当基本传输线工作在隔离模式下，各层基本传输线可以分别同时实现不同的功能器件，而不产生相互影响。包括两组不同尺寸的SRR单元一4和SRR单元一5，当各层工作于隔离状态下时，将两组不同尺寸的SRR单元阵列分别添加在上下两层的槽线附近。图4所示，相邻的两个槽口一11之间形成有槽口栅条一12，且所述槽口栅条一12插入到SRR单元一4的开口内，同时相邻的两个SRR单元一4间隔一个槽口栅条一12；相邻的两个槽口二31之间形成有槽口栅条二32，且所述槽口栅条二32插入到SRR单元二5的开口内，同时相邻的两个SRR单元二5间隔一个槽口栅条二32。由于不同尺寸的SRR单元可以形成在不同频段下的高效谐振吸收，该设计可以同时实现两个在不同频段下的滤波特性。SRR单元阵列被放置在各层槽结构附件，分别实现不同频段的滤波效果。由于槽向相反时上下两层传输线独立工作，两个不同频段的滤波可以同时实现，从而实现双功器特性。

如图5所示，是本发明中的隔离状态下双层传输线的传输效率。图中S11和S21曲线是从上层一端进行激励时，该激励端口的反射系数以及上层传输线的传输系数。S31和S41分别是此时信号从上层传输线耦合至下层传输线两端口的耦合系数。从图5中可以看出，本发明中的两层传输线可以实现宽带高效的传输，反射率始终低于-10dB，而耦合系数在-20dB左右。从而可以得出结论，本发明的传输线各层间可以实现高隔离高效传输。

图6所示为本发明中双层传输线在多功能器件的应用中的一组双波段滤波器应用的传输效率。图中S11和S21是从上层传输线的一端进行激励时的反射系数和传输效率。而S33和S43是从下层传输线的一端进行激励时的反射系数和传输效率。根据图5的结论，各层可以实现高隔离传输。两层间的耦合不再展示。从图中两条传输系数曲线中，可以分别观察到两条位于不同频率的吸收峰。且该吸收峰对另一层传输线的传输没有明显影响。从而可以得出结论，本发明的传输线可以作为多功能器件的载体，并有被应用于更复杂多层等离子体电路与系统中的潜力。

综上所述，本发明由一种开槽-平坦金属条带传输线组成，并通过调整两条开槽条带1和3中的开槽方向来实现隔离模式和互耦模式之间的转换。互耦模式下，耦合效果可以通过调整传输线长度来控制。而在隔离模式下，该多层传输线可以被用于多功能器件的实现。本发明具有易于加工、成本低、可共型和便于集成等优点。

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)

1.一种用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线，其特征在于：包括介质基板一、第一金属条带(1)、第二金属条带(2)，所述第一金属条带(1)、介质基板一、第二金属条带(2)由上到下依次设置；所述第一金属条带(1)设有槽口一(11)，所述槽口一(11)在第一金属条带(1)上周期性排列，所述第一金属条带(1)、第二金属条带(2)形成单层传输线。

2.一种用于传输人工表面等离子体激元的双层传输电路，其特征在于：包括介质基板一、第一金属条带(1)、第二金属条带(2)、介质基板二、第三金属条带(3)，第一金属条带(1)、介质基板一、第二金属条带(2)、介质基板二、第三金属条带(3)由上到下依次设置；所述第三金属条带(3)设有槽口二(31)，所述槽口二(31)在第三金属条带(3)上周期性排列；所述第一金属条带(1)、第三金属条带(3)共用第二金属条带(2)作为接地层，而第一金属条带(1)、第二金属条带(2)、第三金属条带(3)形成双层传输线。

3.根据权利要求2所述的用于传输人工表面等离子体激元的双层传输电路，其特征在于：所述第一金属条带(1)的槽口一(11)的开口方向和第三金属条带(3)的槽口二(31)的开口方向相反时，该基本传输线中的各层传输线分别独立工作，各层传输线之间实现良好的隔离度。

4.根据权利要求2所述的用于传输人工表面等离子体激元的双层传输电路，其特征在于：所述第一金属条带(1)的槽口一(11)的开口方向和第三金属条带(3)的槽口二(31)的开口方向相同时，该基本传输线中的各层传输线之间将产生强烈的耦合，且耦合效果通过调整传输线的长度而进行调控。

5.一种基于权利要求1所述的用于传输人工表面等离子体激元的基本传输线的传播SSPP模式的多层传输电路，其特征在于：包括两个以上的基本传输线，所述基本传输线叠放在一起。

6.一种基于权利要求2所述的传播SSPP模式的多层传输电路的多功能器件，其特征在于：所述多功能器件基于该多层传输电路而设计，当基本传输线工作在隔离模式下，各层基本传输线可以分别同时实现不同的功能器件，而不产生相互影响。

7.根据权利要求6所述的多功能器件，其特征在于：包括SRR单元一(4)和SRR单元二(5)，相邻的两个槽口一(11)之间形成有槽口栅条一(12)，且所述槽口栅条一(12)插入到SRR单元一(4)的开口内，同时相邻的两个SRR单元一(4)间隔一个槽口栅条一(12)；相邻的两个槽口二(31)之间形成有槽口栅条二(32)，且所述槽口栅条二(32)插入到SRR单元二(5)的开口内，同时相邻的两个SRR单元二(5)间隔一个槽口栅条二(32)。