CN109461997B - 基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线 - Google Patents

基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线 Download PDF

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Abstract

基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线,涉及人工表面等离激元领域,为了解决基于H型SSPPs的传输线过渡段在低频通带内匹配效果不佳，单元结构和过渡段尺寸过大的问题。金属贴片分为共面波导段、过渡段和周期结构段；过渡段和周期结构段均由交指型SSPPs单元形成；交指型SSPPs单元包括2个凹形贴片和1个十字形贴片，十字形贴片的上下枝节分别位于2个凹形贴片的开口，两者之间留有缝隙；过渡段的交指型SSPPs单元的十字形贴片的上下枝节的长度、上下枝节与凹形贴片底部间横向缝隙的宽度由端部向中心逐渐增大，周期结构段的交指型SSPPs单元的尺寸统一。本发明可以实现单元的小型化，且在低频段匹配良好。

Description

基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线
技术领域
本发明涉及人工表面等离激元领域，具体涉及基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线。
背景技术
表面等离激元(surface plasmon polaritons，简称SPPs)是电子和光子在金属与介质交界面上一种约束形式的混合激发态，也可以说是在外部电磁场诱导下的金属表面自由电子的集体共振，从而产生沿金属与介质交界面传输的表面波。这种表面波一般工作在光频段，其特点是具有显著的亚波长约束、近场增强和慢波特性。由于该表面波是源于金属表面电子与电磁波的强相互耦合作用，SPPs的电磁场具有很强的表面约束性，所以能突破衍射极限，实现亚波长约束。这些特性使得SPPs在光波段及更高的频段范围具有很高的研究热度，研究人员们在光波导、探测器、传感器、调制器、非线性光学和微弱信号处理等光电子器件的研究中取得了诸多成果且具有着重要应用。为了将SPPs的优越性质延伸到微波波段，研究人员通过在金属表面挖周期分布亚波长尺寸的孔洞，来增强电磁波的渗透作用，实现电磁波的亚波长约束，同时改善金属和介质交界面上的场匹配条件，研究发现此类金属结构表面可以支持一种类型的表面波，该表面波的色散关系与表面等离激元的色散关系类似，故称该表面波为人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons，简称SSPPs)。人工表面等离激元能通过改变金属表面结构的几何参数将SPPs的优越性能应用到微波频段。至今已有多种基于H型SSPPs的微波器件设计，而其中传输线过渡段设计往往不能保证在通带的低频范围内保持良好的传输系数，且使用的单元结构和过渡段尺寸较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决基于H型SSPPs的传输线过渡段在低频通带内匹配效果不佳，并且存在单元结构和过渡段尺寸过大的问题，从而提供基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线。
本发明所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，包括介质板和金属贴片；
金属贴片印制在介质板上；
金属贴片分为共面波导段1、过渡段2和周期结构段3；周期结构段3位于中心，由中心向两端依次对称式分布过渡段2和共面波导段1，过渡段2和周期结构段3均由交指型SSPPs单元形成；
交指型SSPPs单元包括2个凹形贴片和1个十字形贴片，十字形贴片的上下枝节4分别位于2个凹形贴片的开口，十字形贴片与凹形贴片之间留有缝隙；
过渡段2的多个交指型SSPPs单元的十字形贴片的上下枝节4的长度、上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度由端部向中心逐渐增大，实现向周期结构段3的交指型SSPPs单元尺寸的过渡，周期结构段3的交指型SSPPs单元的尺寸统一。
优选的是，通过调节凹形贴片侧部7与十字形贴片的中心贴片8之间的纵向缝隙9的尺寸、十字形贴片的尺寸调节交指型SSPPs单元的等效阻抗。
优选的是，通过调节十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的尺寸来调节传输线的截止频率。
优选的是，周期结构段3的交指型SSPPs单元中，凹形贴片的宽度d为4mm、长度为H为5mm，十字形贴片的上下枝节4的长度t为3mm、宽度d2为2.8mm，十字形贴片的中心贴片8的宽度b1为1mm，凹形贴片侧部7与十字形贴片的中心贴片8之间的纵向缝隙9的长度g1为0.5mm，凹形贴片侧部7的宽度w2为0.2mm，十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度g为1.39mm。
优选的是，过渡段2包括3个交指型SSPPs单元，由端部向中心依次为第一级至第三级。
优选的是，第一级的十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度g11为0.86mm，十字形贴片的上下枝节4的长度t11为0.75mm，第二级的十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度g22为1.08mm，十字形贴片的上下枝节4的长度t22为1.5mm，第三级的十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度g33为1.25mm，十字形贴片的上下枝节4的长度t33为2.25mm。
优选的是，介质板的介电常数为10.2、损耗角正切为0.0023、厚度为1.27mm。
本发明的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线解决了现有H型SSPPs较大且过渡段在通带低频匹配不佳和尺寸过大的问题，本发明可以实现单元的小型化，且在低频段匹配良好。
附图说明
图1是具体实施方式所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线的结构示意图；
图2是具体实施方式中的交指型SSPPs单元的结构示意图；
图3是具体实施方式中的过渡段的结构示意图；
图4是具体实施方式中的交指结构与H型结构SSPPs单元的色散曲线；
图5是具体实施方式中的采用阻抗未匹配的7个交指结构单元作为过渡段和采用3个阻抗匹配的交指结构单元作为过渡段的传输线S参数。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，包括介质板和金属贴片；
金属贴片印制在介质板上；
金属贴片分为共面波导段1、过渡段2和周期结构段3；周期结构段3位于中心，由中心向两端依次对称式分布过渡段2和共面波导段1，过渡段2和周期结构段3均由交指型SSPPs单元形成；
交指型SSPPs单元包括2个凹形贴片和1个十字形贴片，十字形贴片的上下枝节4分别位于2个凹形贴片的开口，十字形贴片与凹形贴片之间留有缝隙；
过渡段2的多个交指型SSPPs单元的十字形贴片的上下枝节4的长度、上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度由端部向中心逐渐增大，实现向周期结构段3的交指型SSPPs单元尺寸的过渡，周期结构段3的交指型SSPPs单元的尺寸统一。
多个十字形贴片的中心贴片8形成传输线的中心线，十字形贴片的上下枝节4形成中心线的枝节，多个凹形贴片底部5形成传输线的两侧地，凹形贴片侧部7形成传输线的两侧地枝节。
在长方形贴片上腐蚀出凹形贴片侧部7与十字形贴片的中心贴片8之间的纵向缝隙9，使得中心线与两侧地枝节对应边平行，再腐蚀出十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6，再腐蚀出中心线枝节和两侧地枝节之间的纵向矩形缝隙10，纵向缝隙9与横向缝隙6相通，然后以单元中心为原点，上下左右对称腐蚀上述3个缝隙即可形成图2的SSPPs单元。
由SSPPs色散曲线与其几何参数对应的关系可知，主要影响SSPPs单元色散曲线渐进频率的是凹槽的深度。所以现有H型结构伸出的中心线枝节长度t会决定色散曲线的渐进频率，为了达到较低的渐进频率，必须增大t，这也就使得单元的横向长度增大。而本发明提出的交指结构通过将中心线伸出的枝节伸入在两侧地上的凹槽，中心线枝节的两侧和上端留有一定的缝隙，这使得两侧地与中心线枝节之间等效深度加深，因此和现有H型结构在相同参数下能具有更低的渐进频率，从而实现了单元的小型化。图2中黑色部分为金属贴片，图中采用虚线对单元的下半部分的不同缝隙进行划分，交指型SSPPs单元印制在介电常数为10.2、损耗角正切为0.0023、厚度为1.27mm的介质板上。周期结构段3的单元的参数设置为：凹形贴片的宽度d为4mm、长度为H为5mm，十字形贴片的上下枝节4的长度t为3mm、宽度d2为2.8mm，十字形贴片的中心贴片8的宽度b1为1mm，凹形贴片侧部7与十字形贴片的中心贴片8之间的纵向缝隙9的长度g1为0.5mm，凹形贴片侧部7的宽度w2为0.2mm，十字形贴片的上下枝节4与凹形贴片底部5间横向缝隙6的宽度g为1.39mm。图3所示的是过渡段的结构示意图。其中过渡段第一级中心线枝节与两侧地之间的缝隙宽度g11为0.86mm，过渡段第一级中心线枝节长度t11为0.75mm，第二级中心线枝节与两侧地之间的缝隙g22为1.08mm，过渡段第二级中心线枝节长度t22为1.5mm，第三级中心线枝节与两侧地之间的缝隙g33为1.25mm，过渡段第三级中心线枝节长度t33为2.25mm。本实施方式中，通过调节凹形贴片侧部7与十字形贴片的中心贴片8之间的纵向缝隙9的尺寸、十字形贴片的尺寸调节交指型SSPPs单元的等效阻抗接近50欧姆。
以上结构在电磁仿真软件中进行仿真分析，相关的分析参数为：采用CST软件的本征模求解器，对单元两边的相位进行0°～180°的扫参结果得到两种结构对比的色散曲线如图4所示。
如图1所示，采用本发明的交指型SSPPs构造的传输线由三部分组成，长为l1＝1.5d的50欧姆共面波导段1、长为l2＝3d的过渡段2和长为l3＝5d的周期结构段3。如图4所示，交指结构SSPPs单元的色散曲线渐进频率低于现有H型单元约1.3GHz，因此本发明的交指结构SSPPs单元能在更小的单元尺寸下实现相同的渐进频率。如图5所示，分别显示了采用本发明的结构后阻抗未匹配的用7个过渡单元作为过渡段和3个经过阻抗匹配过渡单元作为过渡段的传输线S参数。其中采用阻抗匹配之后的过渡段紧凑了一半以上而且在工作频带内(0～5.5GHz)传输系数S21均大于-0.3dB，反射系数S11均小于-15dB，说明此紧凑型过渡段设计能高效地实现共面波导段1传输线到SSPPs模式之间的转换。
本发明克服了现有SSPPs单元为实现低渐进频率导致尺寸过大以及共面波导和SSPPs过渡段尺寸过大且低频段匹配效果不佳的缺点，本发明可以在相同的渐进频率下实现单元的小型化，并且紧凑型过渡段设计不仅降低传输线尺寸还能获得低频段优良的S参数。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，包括介质板和金属贴片；
金属贴片印制在介质板上；
金属贴片分为共面波导段(1)、过渡段(2)和周期结构段(3)；周期结构段(3)位于中心，由中心向两端依次对称式分布过渡段(2)和共面波导段(1)，过渡段(2)和周期结构段(3)均由交指型SSPPs单元形成；
交指型SSPPs单元包括2个凹形贴片和1个十字形贴片，十字形贴片的上下枝节(4)分别位于2个凹形贴片的开口，十字形贴片与凹形贴片之间留有缝隙；
过渡段(2)的多个交指型SSPPs单元的十字形贴片的上下枝节(4)的长度、上下枝节(4)与凹形贴片底部(5)间横向缝隙(6)的宽度由端部向中心逐渐增大，实现向周期结构段(3)的交指型SSPPs单元尺寸的过渡，周期结构段(3)的交指型SSPPs单元的尺寸统一；
共面波导段(1)、过渡段(2)和周期结构段(3)的连接关系为周期结构段(3)的两端均依次连接过渡段(2)和共面波导段(1)，其中共面波导段(1)的中心导带与过渡段(2)的十字形贴片连接，过渡段(2)的十字形贴片与周期结构段(3)的十字形贴片连接，共面波导段(1)的地与过渡段(2)的凹形贴片连接，过渡段(2)的凹形贴片与周期结构段(3)的凹形贴片连接。
2.根据权利要求1所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，通过调节凹形贴片侧部(7)与十字形贴片的中心贴片(8)之间的纵向缝隙(9)的尺寸、十字形贴片的尺寸调节交指型SSPPs单元的等效阻抗。
3.根据权利要求1所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，通过调节十字形贴片的上下枝节(4)与凹形贴片底部(5)间横向缝隙(6)的尺寸来调节传输线的截止频率。
4.根据权利要求1所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，所述周期结构段(3)的交指型SSPPs单元中，凹形贴片的宽度d为4mm、长度H为5mm，十字形贴片的上下枝节(4)的长度t为3mm、宽度d2为2.8mm，十字形贴片的中心贴片(8)的宽度b1为1mm，凹形贴片侧部(7)与十字形贴片的中心贴片(8)之间的纵向缝隙(9)的长度g1为0.5mm，凹形贴片侧部(7)的宽度w2为0.2mm，十字形贴片的上下枝节(4)与凹形贴片底部(5)间横向缝隙(6)的宽度g为1.39mm。
5.根据权利要求4所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，所述过渡段(2)包括3个交指型SSPPs单元，由端部向中心依次为第一级至第三级。
6.根据权利要求5所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，第一级的十字形贴片的上下枝节(4)与凹形贴片底部(5)间横向缝隙(6)的宽度g11为0.86mm，十字形贴片的上下枝节(4)的长度t11为0.75mm，第二级的十字形贴片的上下枝节(4)与凹形贴片底部(5)间横向缝隙(6)的宽度g22为1.08mm，十字形贴片的上下枝节(4)的长度t22为1.5mm，第三级的十字形贴片的上下枝节(4)与凹形贴片底部(5)间横向缝隙(6)的宽度g33为1.25mm，十字形贴片的上下枝节(4)的长度t33为2.25mm。
7.根据权利要求1所述的基于交指型人工表面等离激元的过渡段紧凑型传输线，其特征在于，所述介质板的介电常数为10.2、损耗角正切为0.0023、厚度为1.27mm。
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