CN106887659A - 周期加载电阻的人工表面等离激元传输线及调节色散和损耗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线及调节色散和损耗的方法，包括介质基片及其上的电阻加载的人工表面等离激元段；所述电阻加载的人工表面等离激元段包括金属图形及贴片电阻；所述金属图形包括金属条及多个金属片，所述金属片位于所述金属条的同侧，所述金属条与金属片之间有缝隙；所述贴片电阻一端与金属条焊接，另一端与金属片焊接；与现有技术相比，本发明通过在人工表面等离激元传输线中加载贴片电阻，一方面具有较大的损耗，另一方面可通过改变加载电阻的阻值调节传输线的色散和损耗；同时也提供了一种调节色散和损耗的方法；该周期加载电阻的人工表面等离激元传输线可以应用于搭建负载、衰减器、隔离器、开关等损耗器件及电路。
Description
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料传输线，尤其涉及一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线及条件色散和损耗的方法。
背景技术
随着电子信息技术的发展，和通信、雷达、计算机等信息系统各方面性能的大幅提升，微波毫米波集成电路不断面临新的挑战。高速率、多功能、小型化和共形化成为发展趋势。其中主要技术需求包括：好的信号完整性，对邻间串扰有更高的抑制，满足小型化和共形化需求。基于微带线、带状线等传统传输线的器件和电路，由于其固有的传播模式、空间波长和互耦关系，难以同时满足以上需求。人们迫切需要发展一种具有深度亚波长电磁调控能力的微波传输线，进而发展相应的器件、电路及系统。
近年来，具有亚波长场局域性、低损耗、可共形传输、且色散特性可调的人工表面等离激元传输线受到了广泛的关注，被认为是解决以上微波毫米波集成电路技术瓶颈最有效的新型传输线。人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)，是利用人工电磁媒质(Metamaterial)的方式来降低金属表面的等离子体频率，从而在微波毫米波太赫兹等频段实现类似于光频表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的模式和特性。2013年Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America(PNAS)上报道的超薄的人工表面等离激元传输线，这是一种印刷在超薄柔性介质衬底上的、具有亚波长褶皱图形的金属条带，具有亚波长的场局域特性、低的弯曲损耗，可共形传输人工表面等离激元信号。该传输线具有和光频表面等离激元类似的深度亚波长场局域，但由于金属在微波毫米波频段类似于理想导体，它的损耗相对于光频表面等离激元大为降低。这种新型传输线满足了微波毫米波电路小型化共形化的发展需求，得到了国内外的广泛关注，迅速发展出一系列基于该传输线的特性及应用研究。至今，国内外学者已实现基于人工表面等离激元的滤波器、功分器、分频器、环形谐振腔等无源器件及电路，放大器、二次谐波产生等有源电路，以及基于人工表面等离激元的辐射天线。
现有的人工表面等离激元传输线器件及电路都是基于介质基片及金属图形，其中人工表面等离激元的损耗只来自于介质基片及金属中的吸收损耗和向空间中辐射的损耗。然而，在隔离器、开关、匹配负载等器件中，需要利用较大吸收的传输线。因此，设计一种具有较大损耗，且损耗可调的人工表面等离激元传输线，具有重要的促进意义。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种具有较大损耗，且损耗和色散可调的周期加载电阻的人工表面等离激元传输线及调节色散和损耗的方法。
技术方案：一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，包括介质基片及其上的电阻加载的人工表面等离激元段；所述电阻加载的人工表面等离激元段包括金属图形及贴片电阻；所述金属图形包括金属条及多个金属片，所述金属片位于该金属条的同侧，该金属条与金属片之间有缝隙；所述贴片电阻一端与金属条焊接，另一端与金属片焊接。
进一步的，所述多个金属片的结构尺寸相同，周期或准周期性排布在金属条的同侧。
更进一步的，所述贴片电阻周期或准周期加载在金属图形中，其周期与金属片的周期相同或不同。
进一步的，所述贴片电阻为任意封装尺寸；所述金属图形位于介质基片的上层、下层或多层介质基片的中间层；所述金属图形为单一金属材料，镀金金属材料，或为镀锡金属材料；厚度为0.005mm～1.0mm；所述介质基片为任意电路板材，微波电路板材，任意半导体介质材料，或柔性介质材料；所述介质基片的厚度为0.1mm～10mm。
进一步的，所述周期加载电阻的人工表面等离激元传输线还包括共面波导，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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终端与所述电阻加载的人工表面等离激元段连接，另一端通过共面波导到人工表面等离激元的过渡图形与共面波导连接，所述共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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。
进一步的，所述周期加载电阻的人工表面等离激元传输线还包括共面波导，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形和人工表面等离激元传输线；所述电阻加载的人工表面等离激元段两端分别依次连接人工表面等离激元传输线，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形和共面波导；所述共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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。
一种基于所述传输线的调节色散和损耗的方法，不改变所述传输线的结构，改变贴片电阻的阻值，可以实现对传输线色散和损耗的调节；将贴片电阻周期性加载于人工表面等离激元传输线中，增加了传输线的损耗，同时通过改变贴片电阻的阻值可以调节传输线的色散和损耗。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过在人工表面等离激元传输线中周期或准周期加载贴片电阻，一方面具有较大的损耗，另一方面可通过改变加载电阻的阻值调节传输线的色散特性和损耗特性；该周期加载电阻的人工表面等离激元传输线不仅可以应用于搭建负载、衰减器、隔离器、开关等损耗器件及电路；同时也提供了一种调节色散和损耗的方法；另外，本发明制作简单，加工方便，同时具有便携、重量轻、容易集成等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2a是本发明实施例一不同阻值下的色散曲线图。
图2b是本发明实施例一不同阻值下的损耗曲线图。
图3a是本发明实施例二的结构示意图。
图3b是本发明实施例二的S11参数曲线图。
图4a是本发明实施例三的结构示意图。
图4b是本发明实施例三的S12参数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，包括介质基片1，金属图形2和贴片电阻3；金属图形包括金属条21和金属片22，金属片周期排布于金属条的一侧；贴片电阻与金属片同周期排布，分别与金属条和金属片焊接连接。
实施例一：
采用图1所示结构，其中，介质基片为0.508mm厚的Rogers RT5880介质基片，金属图形为0.018mm厚的铜箔；金属条宽度为3mm，金属片长和宽都是4mm，金属片和金属条之间缝隙宽0.2mm，金属片的周期为7mm，贴片电阻的周期为7mm，贴片电阻为0402封装；介质基片背面无金属图形。
金属条的宽度、金属片的长和宽、周期、金属片和金属条之间的缝隙宽度等几何参数，对周期加载电阻的人工表面等离激元传输线色散曲线的调节趋势和不加载电阻的人工表面等离激元传输线类似，此处对贴片电阻阻值对色散曲线和损耗曲线的调节进行说明。
贴片电阻取值分别为50Ω，100Ω和200Ω的情况下，上述传输线的特性曲线如图2a和图2b所示。
其中，图2a为不同阻值下上述传输线的色散曲线图，横坐标为对π归一化的传播常数实部，纵坐标为频率(GHz)；由图可以看出，在不改变结构的情况下，改变贴片电阻的阻值，可以实现对传输线群速色散的调节。
图2b为不同阻值下上述传输线的损耗曲线，横坐标为传播常数虚部(m-1)，纵坐标为频率(GHz)；由图可以看出，在不改变结构的情况下，改变贴片电阻的阻值，可以实现对传输线损耗的调节。
实施例二：
如图3a所示，一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，包括共面波导到人工表面等离激元的过渡图形，人工表面等离激元传输线和电阻加载的人工表面等离激元段；其中，人工表面等离激元传输线终端与所述电阻加载的人工表面等离激元段连接，另一端通过共面波导到人工表面等离激元的过渡图形与共面波导连接，所述共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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；
其中，电阻加载的人工表面等离激元段的结构参数和实施例一中结构相同；
人工表面等离激元传输线未加载电阻，其由周期性金属片和金属条组成，周期性金属片和金属条直接接触(缝隙宽度为0)，其他几何参数和电阻加载人工表面等离激元的几何参数相同；
图3b为开路人工表面等离激元传输线，带有5个周期电阻加载人工表面等离激元的开路传输线，带有10个周期电阻加载人工表面等离激元的开路传输线的反射系数S11的曲线图。
可见在开路的人工表面等离激元传输线终端连接电阻加载的人工表面等离激元，可有效降低开路端的反射，图中可见S11降低至-20dB以下，实现吸收负载的功能。其中较高频段，10个周期和5个周期的结构对S11的降低作用相近，但在较低频段(7GHz以下)，10个周期结构的效果明显优于5个周期的结果；这是由于频率降低，人工表面等离激元的等效波长变长，对开路端信号实现相同吸收效果需要的长度变长。
实施例三
如图4a所示，一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，包括对称的共面波导到人工表面等离激元的过渡图形，人工表面等离激元传输线，电阻加载的人工表面等离激元段；其中，电阻加载的人工表面等离激元段两端分别依次连接人工表面等离激元传输线，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形和共面波导；所述共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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；
其中，电阻加载的人工表面等离激元段的结构参数和实施例一中结构相同；
人工表面等离激元传输线未加载电阻，其由周期性金属片和金属条组成，周期性金属片和金属条直接接触(缝隙宽度为0)，其他几何参数和电阻加载人工表面等离激元的几何参数相同；
如图4b所示，一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，串联5个周期电阻加载人工表面等离激元传输线，串联10个周期人工表面等离激元传输线的传输系数S21的曲线图。
可见串联在人工表面等离激元传输线中的周期加载人工表面等离激元可实现对信号的衰减，且衰减随着周期数的增大而增大，可实现衰减器的功能。
周期或准周期的金属微结构(金属图形)，可以在微波、毫米波及太赫兹波段激励出类似于光频表面等离激元模式的表面波，成为人工表面等离激元；由于人工表面等离激元具有压缩的波长、亚波长的场模式以及局域的电场增强，在缩小器件及电路尺寸，实现电路小型化中具有重要的应用前景。
本发明的结构可以为在介质基片的上层、下层或多层介质基片的中间层，通过周期或准周期结构的金属图形，构造人工表面等离激元传输线；并通过周期或准周期加载的贴片电阻，实现对人工表面等离激元色散(群速)和损耗的调节；可以应用于负载、衰减器、隔离器、开关等损耗器件及电路的搭建。
Claims (10)
1.一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：包括介质基片及其上的电阻加载的人工表面等离激元段；
所述电阻加载的人工表面等离激元段包括金属图形及贴片电阻；
所述金属图形包括金属条及多个金属片，所述金属片位于所述金属条的同侧，所述金属条与金属片之间有缝隙；
所述贴片电阻一端与金属条焊接，另一端与金属片焊接。
2.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述多个金属片的结构尺寸相同，周期性或准周期性排布在金属条的同侧。
3.根据权利要求2所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述贴片电阻周期或准周期加载在金属图形中，其周期与金属片的周期相同或不同。
4.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述贴片电阻为任意封装尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述金属图形位于介质基片的上层、下层或多层介质基片的中间层。
6.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述金属图形为单一金属材料，镀金金属材料，或镀锡金属材料；厚度为0.005mm～1.0mm。
7.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述介质基片为任意电路板材，微波电路板材，任意半导体介质材料，或柔性介质材料；所述介质基片的厚度为0.1mm～10mm。
8.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述周期加载电阻的人工表面等离激元传输线还包括共面波导，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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终端与所述电阻加载的人工表面等离激元段连接，另一端通过共面波导到人工表面等离激元的过渡图形与共面波导连接，所述共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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。
9.根据权利要求1所述的一种周期加载电阻的人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述周期加载电阻的人工表面等离激元传输线还包括共面波导，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形和人工表面等离激元传输线；
所述电阻加载的人工表面等离激元段两端分别依次连接人工表面等离激元传输线，共面波导到人工表面等离激元的过渡图形和共面波导；所述共面波导到人工表面等离激元的过渡图形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。
10.一种基于权利要求1至9任一项所述的传输线的调节色散和损耗的方法，其特征在于，改变贴片电阻的阻值，以调节传输线的色散和损耗。
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