CN108336462A - 共面波导馈电的环形表面波传输线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共面波导馈电的环形表面波传输线，包括介质基板、两个共面波导、两个过渡段和环形表面等离子激元结构，所述两个共面波导、两个过渡段和环形表面等离子激元结构设置在介质基板的同一层上，两个共面波导和两个过渡段均为一一对应，且两个共面波导和两个过渡段均对称设置，每个共面波导通过对应的过渡段与环形表面等离子激元结构的其中一端连接。本发明可以实现在微波频率传输表面等离子激元模式的电磁波，具有结构简单、工作带宽宽、加工方便、集成度高的特点，在微波集成电路和通信系统中具有很大的应用价值。

Description

共面波导馈电的环形表面波传输线

技术领域

本发明涉及一种传输线，尤其是一种共面波导馈电的环形表面波传输线，属于集成电路和表面波技术领域。

背景技术

表面等离子激元(SPP)是一种沿着金属和介质的交界面传播的电磁波，在传播方向上具有比光波大的波数，在与传播方向垂直的方向上是指数衰减的消逝场，将电磁场局限在亚波长尺寸内。采用周期性有孔导体的方法，可以在微波和太赫兹频段激励并传播SPP。依照上面方法设计的表面等离子激元传输线，是一种单线结构，具有超宽的工作带宽，传输线适度弯曲而传输性能不变，集成度高的优点。

共面波导(CPW)，导带与接地地板在同一水平面上，具有色散小，容易实现紧凑的平衡电路，信号线和地线之间的干扰小等优点，在微波集成电路中广泛应用。所以采用CPW馈电，设计的传输线结构加工容易，集成度高。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

1)2004年J.B.Pendry等人在SCIENCE发表题为“Mimicking Surface Plasmonswith Structured Surfaces”的文章。作者提出在微波和太赫兹频段，在有穿孔的导体电表面可以观察到表面表面等离子激元，并对SPP的设计方法进行理论分析，这为微波和太赫兹频段内表面等离子激元的研究和应用奠定基础。

2)2013年，马惠峰等人发表题为“Broadband and high-efficiency conversionfrom guided waves to spoof surface plasmon polaritons”文章中，提出用镀铜的超薄介质板制作鱼骨形的表面等离子激元传输线结构。采用CPW作为输入输出信号，矩形双边纹波金属条结构传输SPP，实现SPP和传统传输线CPW之间高效率地转换。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种共面波导馈电的环形表面波传输线，该传输线可以实现在微波频率传输表面等离子激元模式的电磁波，具有结构简单、工作带宽宽、加工方便、集成度高的特点，在微波集成电路和通信系统中具有很大的应用价值。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

共面波导馈电的环形表面波传输线，包括介质基板、两个共面波导、两个过渡段和环形表面等离子激元结构，所述两个共面波导、两个过渡段和环形表面等离子激元结构设置在介质基板的同一层上，两个共面波导和两个过渡段均为一一对应，且两个共面波导和两个过渡段均对称设置，每个共面波导通过对应的过渡段与环形表面等离子激元结构的其中一端连接。

作为一种优选方案，每个过渡段包括多个环形过渡单元和位于多个环形过渡单元两侧的金属单元，多个环形过渡单元依次连接在一起，且两端分别与对应的共面波导、环形表面等离子激元结构的其中一端连接。

作为一种优选方案，每个过渡段中，所述多个环形过渡单元从对应的共面波导到环形表面等离子激元结构的其中一端逐渐变大。

作为一种优选方案，每个过渡段中，所述金属单元从环形过渡单元与对应共面波导的连接处开始逐渐远离环形过渡单元，并在环形过渡单元与环形表面等离子激元结构的连接处消失。

作为一种优选方案，每个过渡段中的环形过渡单元裁切成半环形过渡单元，所述环形表面等离子激元结构裁切成半环形表面等离子激元结构，每个共面波导上加载有阶梯阻抗结构。

作为一种优选方案，所述环形表面等离子激元结构由多个环形单元组成，多个环形单元按照周期排列，并依次连接在一起，每个环形单元的尺寸相一致。

作为一种优选方案，每个环形单元的高度、宽度和粗细程度以及相邻的两个环形单元之间的距离，根据所需的频率应用范围进行调整。

作为一种优选方案，所述两个共面波导分别为第一共面波导和第二共面波导，所述两个过渡段分别为第一过渡段和第二过渡段；

第一共面波导和第二共面波导左右对称，第一过渡段和第二过渡段左右对称，第一共面波导对应第一过渡段，第二共面波导对应第二过渡段，第一共面波导通过第一过渡段与环形表面等离子激元结构的左端连接，第二共面波导通过第二过渡段与环形表面等离子激元结构的右端连接。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的传输线在介质基板的同一层左右两边分别设置共面波导和过渡段，以及在中间设置环形表面等离子激元结构，实现了无金属地的平面电路结构，电磁波在过渡段从共面波导的TEM波变成了表面等离子激元的TM波，表面波再从过渡段进入环形表面等离子激元结构，每个共面波导通过对应的过渡段与环形表面等离子激元结构的其中一端连接构成了表面波传输线，实现了共面波导与环形表面等离子激元结构之间的转换，具有工作带宽宽，具有低频率导通，高频率截至的特点。

2、本发明的传输线中，过渡段包括多个环形过渡单元和位于环形过渡单元两侧的金属单元，环形过渡单元依次连接，并逐渐变大，金属单元逐渐远离环形过渡单元，最后完全消失，环形过渡单元可以根据实际使用场合变化，越多的过渡单元，转换的越平滑。

3、本发明的传输线中，环形表面等离子激元结构由多个相同大小的环形单元组成，环形单元的数量可以根据实际需要设置，其可以弯曲设置，使得走线更灵活，可以根据所需的频率应用范围，对每个环形单元的高度、宽度和粗细程度以及相邻的两个环形单元之间的距离进行调整，每个环形单元的几何参数可控制最高截至频率。

4、本发明的传输线中，可以将每个过渡段中的多个环形过渡单元裁切成半环形过渡单元，所述环形表面等离子激元结构裁切成半环形表面等离子激元结构，在每个共面波导上加载阶梯阻抗结构，阶梯阻抗结构可以调节共面波导和表面等离子激元的阻抗达到匹配，仿真结果表明，从在4GHz～11.5GHz内S11小于-10dB，S21在4.5GHz～7.5GHz大于-1.5dB，在工作带宽内能够完成共面波导上的准TEM波与表面等离子激元上的TM波之间高效转换。

5、本发明能够完成传统共面波导和表面等离子激元传输线之间高效转化，为表面等离子激元器件在微波集成电路和通信系统中的广泛应用提供基础，并且容易加工，传输线适度弯曲而传输性能不变，对促进电路小型化，集成化，规模化的发展有很大的潜力。

附图说明

图1为本发明实施例1的共面波导馈电的环形表面波传输线结构示意图。

图2为本发明实施例1的共面波导馈电的环形表面波传输线频率响应的传输效率曲线图。

图3为本发明实施例2的共面波导馈电的半环形表面波传输线结构示意图。

图4为本发明实施例2的共面波导馈电的半环形表面波传输线有无阶梯阻抗的频率响应的传输效率曲线图。

图1中，1-介质基板，2-第一共面波导，3-第二共面波导，4-第一过渡段，5-第二过渡段，6-环形表面等离子激元结构，7-第一环形过渡单元，8-第一金属单元，9-第一传输部分，10-第二环形过渡单元，11-第二金属单元，12-第二传输部分，13-环形单元。

图3中，1-介质基板，2-第一共面波导，3-第二共面波导，4-第一过渡段，5-第二过渡段，6-半环形表面等离子激元结构，7-第一半环形过渡单元，8-第一金属单元，9-第一传输部分，10-第二半环形过渡单元，11-第二金属单元，12-第二传输部分，13-半环形单元，14-第一阶梯阻抗结构，15-第二阶梯阻抗结构。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种共面波导馈电的环形表面波传输线，该环形表面波传输线包括介质基板1、第一共面波导2、第二共面波导3、第一过渡段4、第二过渡段5和环形表面等离子激元结构6，所述第一共面波导2、第二共面波导3、第一过渡段4、第二过渡段5和环形表面等离子激元结构6设置在介质基板1的同一层上，在本实施例中设置在顶层，介质基板1的底层无覆铜地，介质基板1优选采用PCB板；所述第一共面波导2和第二共面波导3左右对称，所述第一过渡段4和第二过渡段5左右对称，且第一共面波导2与第一过渡段4相对应，第二共面波导3与第二过渡段5相对应。

所述第一过渡段4包括多个第一环形过渡单元7和位于多个第一环形过渡单元7两侧的第一金属单元8；所述多个第一环形过渡单元7的左端与第一共面波导2连接，右端与环形表面等离子激元结构6的左端连接，多个第一环形过渡单元7从左到右依次连接，并逐渐变大，第一金属单元8从左到右逐渐变小，即从第一环形过渡单元7与第一共面波导2的连接处开始逐渐远离第一环形过渡单元7，并在第一环形过渡单元7与环形表面等离子激元结构6左端的连接处消失，第一环形过渡单元7可以根据实际使用场合变化，越多的第一环形过渡单元7，转换的越平滑；电磁波在第一过渡段4里从第一共面波导2的第一传输部分9的TEM(Transverse Electric and Magnetic Field，指电磁波的电场和磁场都在垂直于传播方向的平面上)波变成了环形表面等离子激元结构6的TM(Transverse Magnetic，横向磁性)波，TM波从第一过渡段4进入环形表面等离子激元结构6，再通过第二过渡段5转换回TEM波传输给第二共面波导3。

所述第二过渡段5包括多个第二环形过渡单元10和位于多个第二环形过渡单元10两侧的第二金属单元11；所述多个第二环形过渡单元10的右端与第二共面波导3连接，左端与环形表面等离子激元结构6的右端连接，多个第二环形过渡单元10从右到左依次连接，并逐渐变大，第二金属单元11从右到左逐渐变小，即从第二环形过渡单元10与第二共面波导3的连接处开始逐渐远离第二环形过渡单元10，并在第二环形过渡单元10与环形表面等离子激元结构6左端的连接处消失，同样地，第二环形过渡单元10可以根据实际使用场合变化，越多的第二环形过渡单元10，转换的越平滑；同理，电磁波在第二过渡段5里从第二共面波导3的第二传输部分12的TEM波变成了环形表面等离子激元结构6的TM波，TM波从第二过渡段5进入环形表面等离子激元结构6，再通过第一过渡段4转换回TEM波传输给第一共面波导2。

所述环形表面等离子激元结构6由多个环形单元13组成，多个环形单元13按照周期排列，并依次连接在一起，环形单元13的数量根据实际需要设置，每个环形单元13的尺寸相一致，且每个环形单元的高度、宽度和粗细程度以及相邻的两个环形单元之间的距离，根据所需的频率应用范围进行调整；第一共面波导2、第一过渡段4、环形表面等离子激元结构6、第二共面波导3和第二过渡段5依次连接构成了表面波传输线。

如图2所示，为本实施例的共面波导馈电的环形表面波传输线频率响应的传输效率曲线图，可以看到，实现了在2GHz～12GHz内高效地传输表面等离子激元的TM波，具有工作带宽宽，加工方便的优点。

实施例2：

如图3所示，本实施例可以将实施例1中的环形表面波传输线，只截取中心线上半截可构成共面波导馈电的半环形表面波传输线，该半环形表面波传输线包括介质基板1、第一共面波导2、第二共面波导3、第一过渡段4、第二过渡段5和半环形表面等离子激元结构6，所述第一共面波导2、第二共面波导3、第一过渡段4、第二过渡段5和半环形表面等离子激元结构6设置在介质基板1的同一层上，在本实施例中设置在顶层，介质基板1的底层无覆铜地；所述第一共面波导2和第二共面波导3左右对称，所述第一过渡段4和第二过渡段5左右对称，且第一共面波导2与第一过渡段4相对应，第二共面波导3与第二过渡段5相对应。

所述第一过渡段4包括多个第一半环形过渡单元7和位于多个第一半环形过渡单元7两侧的第一金属单元8；所述多个第一半环形过渡单元7的左端与第一共面波导2连接，右端与半环形表面等离子激元结构6的左端连接，第一半环形过渡单元7从左到右依次连接，并逐渐变大，第一金属单元8从左到右逐渐变小，即从第一半环形过渡单元7与第一共面波导2的连接处开始逐渐远离第一半环形过渡单元7，并在第一半环形过渡单元7与半环形表面等离子激元结构6左端的连接处消失，第一半环形过渡单元7可以根据实际使用场合变化，越多的第一半环形过渡单元7，转换的越平滑；电磁波在第一过渡段4里从第一共面波导2的第一传输部分9的TEM波变成了半环形表面等离子激元结构6的TM波，TM波从第一过渡段4进入半环形表面等离子激元结构6，再通过第二过渡段5转换回TEM波传输给第二共面波导3。

所述第二过渡段5包括多个第二半环形过渡单元10和位于多个第二半环形过渡单元10两侧的第二金属单元11；所述多个第二半环形过渡单元10的右端与第二共面波导3连接，左端与半环形表面等离子激元结构6的右端连接，第二半环形过渡单元10从右到左依次连接，并逐渐变大，第二金属单元11从右到左逐渐变小，即从第二半环形过渡单元10与第二共面波导3的连接处逐渐远离第二半环形过渡单元10，并在第二半环形过渡单元10与半环形表面等离子激元结构6左端的连接处消失，同样地，第二半环形过渡单元10可以根据实际使用场合变化，越多的第二半环形过渡单元10，转换的越平滑；同理，电磁波在第二过渡段5里从第二共面波导3的第二传输部分12的TEM波变成了半环形表面等离子激元结构6的TM波，TM波从第二过渡段5进入半环形表面等离子激元结构6，再通过第一过渡段4转换回TEM波传输给第一共面波导2。

所述半环形表面等离子激元结构6由多个半环形单元13组成，多个半环形单元13按照周期排列，并依次连接在一起，半环形单元13的数量根据实际需要设置，每个半环形单元13的尺寸相一致，且每个半环形单元的高度、宽度和粗细程度以及相邻的两个半环形单元之间的距离，根据所需的频率应用范围进行调整；第一共面波导2、第一过渡段4、半环形表面等离子激元结构6、第二共面波导3和第二过渡段5依次连接构成了表面波传输线。

但是这样的半环形表面波传输线并不能传输表面等离子激元的TM波，传输线频率响应的传输效率曲线很差，为了使半环形传输线重新达到阻抗匹配，在第一共面波导2的第一传输部分9加载第一阶梯阻抗结构14，在第二共面波导3的第二传输部分12加载第二阶梯阻抗结构15，从在4GHz～11.5GHz内S11小于-10dB，S21在4.5GHz～7.5GHz大于-1.5dB，在工作带宽内能够完成共面波导上的准TEM波与表面等离子激元上的TM波之间高效转换；上述实施例1的环形表面波传输线结构简单并且对称，具有远大于半环形表面波传输线的频率通带范围，虽然半环形表面波传输线上的阶梯阻抗可以调节共面波导和表面等离子激元的阻抗达到匹配，S11的性能更好，但工作带宽相比实施例1的环形表面波传输线变窄。

综上所述，本发明的传输线在介质基板的同一层左右两边分别设置共面波导和过渡段，以及在中间设置环形表面等离子激元结构，实现了无金属地的平面电路结构，电磁波在过渡段从共面波导的TEM波变成了表面等离子激元的TM波，表面波再从过渡段进入环形表面等离子激元结构，每个共面波导通过对应的过渡段与环形表面等离子激元结构的其中一端连接构成了表面波传输线，实现了共面波导与环形表面等离子激元结构之间的转换，具有工作带宽宽，具有低频率导通，高频率截至的特点。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.共面波导馈电的环形表面波传输线，包括介质基板，其特征在于：还包括两个共面波导、两个过渡段和环形表面等离子激元结构，所述两个共面波导、两个过渡段和环形表面等离子激元结构设置在介质基板的同一层上，两个共面波导和两个过渡段均为一一对应，且两个共面波导和两个过渡段均对称设置，每个共面波导通过对应的过渡段与环形表面等离子激元结构的其中一端连接。

2.根据权利要求1所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：每个过渡段包括多个环形过渡单元和位于多个环形过渡单元两侧的金属单元，多个环形过渡单元依次连接在一起，且两端分别与对应的共面波导、环形表面等离子激元结构的其中一端连接。

3.根据权利要求2所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：每个过渡段中，所述多个环形过渡单元从对应的共面波导到环形表面等离子激元结构的其中一端逐渐变大。

4.根据权利要求2所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：每个过渡段中，所述金属单元从环形过渡单元与对应共面波导的连接处开始逐渐远离环形过渡单元，并在环形过渡单元与环形表面等离子激元结构的连接处消失。

5.根据权利要求2所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：每个过渡段中的环形过渡单元裁切成半环形过渡单元，所述环形表面等离子激元结构裁切成半环形表面等离子激元结构，每个共面波导上加载有阶梯阻抗结构。

6.根据权利要求1-4任一项所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：所述环形表面等离子激元结构由多个环形单元组成，多个环形单元按照周期排列，并依次连接在一起，每个环形单元的尺寸相一致。

7.根据权利要求6所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：每个环形单元的高度、宽度和粗细程度以及相邻的两个环形单元之间的距离，根据所需的频率应用范围进行调整。

8.根据权利要求1-4任一项所述的共面波导馈电的环形表面波传输线，其特征在于：所述两个共面波导分别为第一共面波导和第二共面波导，所述两个过渡段分别为第一过渡段和第二过渡段；

第一共面波导和第二共面波导左右对称，第一过渡段和第二过渡段左右对称，第一共面波导对应第一过渡段，第二共面波导对应第二过渡段，第一共面波导通过第一过渡段与环形表面等离子激元结构的左端连接，第二共面波导通过第二过渡段与环形表面等离子激元结构的右端连接。