CN109473757B

CN109473757B - 一种宽频传输线芯片

Info

Publication number: CN109473757B
Application number: CN201811472761.1A
Authority: CN
Inventors: 陈麟; 朱亦鸣; 汪丹妮; 魏玉明; 韦鹏; 蔡斌; 臧小飞; 庄松林
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: CN105006616A; CN105006616B; CN109473757A

Abstract

本发明的一种宽频传输线芯片，包括衬底、设置于衬底的上的金属层，金属层包括信号获取部、第一模式转换部、传导部、第二模式转换部、信号输出部，信号获取部为共面波导，第一模式转换部与信号获取部连接，包括Vivaldi天线以及第一双波导，传导部与第一模式转换部连接，用于让表面波传导，第二模式转换部与第一模式转换部沿传导部的中心线相对称，信号输出部为共面波导，和第二模式转换部连接，用于将太赫兹波传输给下位分析设备，第一上波导由第一下波导垂直翻转得到，并与第一下波导叠加形成双层波导，第二上波导由第二下波导垂直翻转得到，部与第二下波导叠加形成双层波导，共面波导包括中心带以及位于中心带两侧且与中心带间隔一定间距的接地带。

Description

一种宽频传输线芯片

本发明为申请日2015年7月30日申请的申请号为“201510458482X”，发明名称为“一种基于超宽频芯片的太赫兹波时域频谱系统”的分案申请。

技术领域

本发明属于太赫兹波检测领域，具体涉及一种宽频传输线芯片结构。

背景技术

随着现代无线通讯技术的发展，超宽频技术在近年来受到人们的广泛关注。现代通信产品应用极为广泛，每个产品使用的频段各不相同，要同时使用这些频带需要一种宽频的收发系统。

共面波导是实现宽频技术的重要手段。其实际是表面等离子体激元共振，是存在于金属和电介质界面的一种电荷密度振荡本征模式，可以通过入射光经棱镜耦合、光栅耦合或波导耦合来激发产生。基于共面波导双层结构的宽频滤波器，通过将两个相同结构的波导，垂直翻转并叠加，实现频带的扩宽。

共面波导双层结构的宽频滤波器的工作原理是：入射光激发金属薄膜和电介质界面产生表面等离子体激元。虽然波导耦合的表面等离子体激元的波导滤波器和高保线结构在可见光波段已是一项很成熟的技术，但工作在太赫兹波段的相应系统还很少报道，尤其是高保线和双层波导结构的超宽频滤波器还未曾涉及。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种宽频传输线芯片，采用了如下技术方案：

本发明提供的宽频传输线芯片具有这样的技术特征，具有：衬底；以及金属层，设置于衬底的上表面上，其中，衬底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的任意一种材料制成，金属层包括：信号获取部，为共面波导，用于从上位装置获取太赫兹波，并将其转化为准TEM波模式；第一模式转换部，与信号获取部连接，包括Vivaldi天线以及第一双波导，Vivaldi天线用于和信号获取部的阻抗相匹配，第一双波导包括结构相同且对称连接的第一上波导以及第一下波导，第一上波导以及第一下波导上均设置有复数个槽深逐渐增大的凹槽，用于激发表面等离子激元，将太赫兹波由准TEM波模式转化为表面波模式；传导部，与第一模式转换部连接，用于让表面波传导，包括与第一双波导连接第二双波导，第二双波导包括结构相同且对称连接的第二上波导以及第二下波导，第二上波导以及第二下波导均设置有复数个固定槽深的凹槽，固定槽深与第一双波导中最大的槽深相同；Vivaldi天线包括开路腔、槽线以及指数线，第一双波导沿槽线向第二双波导处延伸；第二模式转换部，与第一模式转换部沿传导部的中心线相对称，用于将太赫兹波由表面波模式转换为准TEM波模式；以及信号输出部，为共面波导，和第二模式转换部连接，用于将太赫兹波传输给下位分析设备，第一上波导由第一下波导绕水平方向轴线垂直翻转得到，与第一下波导对称接触连接，第一上波导与第一下波导叠加形成双层波导，第二上波导由第二下波导绕水平方向轴线垂直翻转得到，与第二下波导对称接触连接，第二上波导与第二下波导叠加形成双层波导，共面波导包括中心带以及位于中心带两侧且与中心带间隔一定间距的接地带，中心带和接地带之间的两个槽口分别作为信号获取部以及信号输出部的能量传输端口。

本发明提供的宽频传输线芯片，还可以具有这样的特征，还包括：矢量网络分析仪，通过两个探针分别和信号获取部以及信号输出部连接，用于发射和探测太赫兹波信号。

本发明提供的宽频传输线芯片，还可以具有这样的特征：其中，能量传输端口和矢量网络分析仪的探针连接。

本发明提供的宽频传输线芯片，还可以具有这样的特征：其中，中心带的高度为50μm，能量传输端口的高度为4.7μm，接地带的高度为100μm。

发明作用与效果

本发明提供了一种宽频传输线芯片，通过垂直翻转叠加的双层波导耦合，激发表面等离子激元，实现宽频传输。与传统的单层波导滤波器相比，本发明运用高效传输双层波导耦合，以一种简单的方式使频谱扩宽了两倍，解决了通信领域对宽频的需求的问题，为后期的科学研究工作奠定基础。同时，本发明提供的宽频传输线芯片还具有结构简单、容易实现的优点。

附图说明

图1是本发明的宽频传输线芯片的结构示意图；

图2是本发明的宽频芯片的结构示意图；

图3是本发明的宽频芯片的金属层的结构示意图；

图4为本发明中的基于双波导的传输线芯片与基于单波导的传输线芯片的带通宽度对比图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1是本实施例的宽频传输线芯片的结构示意图。

如图1所示，宽频传输线100包括矢量网络分析仪200以及宽频芯片300。矢量网络分析仪200通过探针201和探针202分别和宽频芯片300的能量传输端口连接，用于发射和探测太赫兹波信号。

图2是本实施例宽频芯片的结构示意图。

如图2所示，宽频芯片300由衬底10和金属层20组成。金属层20通过光刻和镀膜附着在衬底10上。

本实施例中，金属层20的材质为金，厚度d₁为500nm。衬底10由衬底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)以及聚酰亚胺中的任意一种材料制成，厚度d₂为200μm。

图3是本实施例的宽频芯片的金属层的结构示意图。

如图3所示，金属层20包括顺序连接的信号获取部1、第一模式转换部2、传导部3、第二模式转换部4以及信号输出部5。信号获取部1用于从矢量网络分析仪200处获取输入太赫兹波信号，并将其转化为准TEM波模式；第一模式转换部2用于激发表面等离子激元，将太赫兹波由准TEM波模式转化为表面波模式；传导部3用于传导表面波；第二模式转换部4用于将太赫兹波由表面波模式转换为准TEM波模式；信号输出部5通过探针202和矢量网络分析仪200连接，并将太赫兹波传输给矢量网络分析仪200。

图2为图3的侧视图，如图1～图3所示，信号获取部1以及信号输出部5均为共面波导，包括中心带11以及位于中心带11两侧且与中心带11间隔一定间距g的两个接地带12。

中心带11和接地带12之间的两个槽口分别作为信号获取部1以及信号输出部5的能量传输端口，和矢量网络分析仪的探针201以及探针202连接。信号获取部1通过探针201和SMA连接器连接，进而通过SMA连接器从同轴电缆处获取输入信；信号输出部5通过探针202将检测完毕的太赫兹波信号传输给矢量网络分析仪200，进行结果分析。

本实施例中，中心带11的高度h为50μm，厚度为金属层厚度d₁的两倍。接地带12的高度为中心带高度的两倍，厚度与金属层的厚度相同。能量传输端口的高度g为4.7μm，以保证端口50Ω的阻抗匹配。

第一模式转换部2和信号获取部1的能量传输端口连接，由Vivaldi天线的经典指数方程绘出。包括Vivaldi天线21以及第一双波导22，Vivaldi天线21用于和信号获取部1的阻抗相匹配，第一双波导22包括结构相同且对称接触连接的第一上波导221以及第一下波导222。

第一下波导222由第一上波导221绕水平方向轴线垂直翻转而得，二者均设置有复数个槽深逐渐增大的凹槽，用于激发表面等离子激元，将太赫兹波由灵敏度低的准TEM波模式转化为灵敏度高的表面波模式，保证宽频带的高效激励。

传导部3为第二双波导，包括第二上波导31以及第二下波导32，第二下波导32同样由第二上波导31绕水平方向轴线垂直翻转得到。两个波导上分别设置有复数个固定槽深h的凹槽311以及凹槽312，如图3右下方所示，两个凹槽311之间的细线表示对称轴线，凹槽311以及凹槽312沿该对称轴线对称设置，凹槽311以及凹槽312槽深与第一双波导22中最大的槽深相同，以控制太赫兹波的传输频率。第二上波导31以及第二下波导32通过凹槽以及凹槽之间的间隔紧密相对的形式连接，组成第二双波导。本实施例中，第二双波导中凹槽的槽深h为50μm，槽底距离金属层的底端间隔为0.1h。

第二模式转换部4与第一模式转换部2沿传导部3的中心线相对称，包括凹槽深度逐渐减小的第三双波导41以及和该第三双波导连接的Vivaldi天线42，用于将太赫兹波由表面波模式转换为准TEM波模式。第三双波导41由第三上波导411以及第三下波导412组成，第三上波导411与第一上波导221唯一的区别为：第一上波导221中凹槽的深度逐渐增加，而第三上波导411中凹槽的深度逐渐减小。第三下波导412与第一下波导222的区别也是如此。

本实施例的宽频传输线芯片实现宽频带通的方法为：首先，共面波导1通过探针201从矢量网络分析仪200中获取输入太赫兹波信号，并将其以准TEM波的形式传递给第一模式转换部2；而后，第一模式转换部2激发表面等离子体激元，将灵敏度低的准TEM波转换为灵敏度高的表面波并将表面波传输给传导部3；进而，太赫兹波在第二双波导固定槽深的凹槽阵列中进行传播，形成能带间隙，由此形成带阻，使得某一频段的波被过滤掉，某一频段的波通过，该频段即为带通频带；最后，表面波被第二模式转换部4转换为准TEM波，并传输到信号输出部5的能量传输端口，矢量网络分析仪对端口信号进行检测后，探测其带通的截止频率，从而确定带通滤波器的频带宽度。

本实施例中，双波导中上下波导优选严格对称连接的方式，此时带通频带的宽度最大。当然，上下波导也可以存在一定的水平和竖直方向的位移叠加，即上下波导以略微相错的形式叠加，但带通宽度会随着相错程度的增加而减小。

图4为本实施例中的基于双波导的宽频传输线芯片与基于单波导的宽频传输线芯片的带通宽度对比图。

如图4所示，两种频谱系统的入射太赫兹波的频率均为2THz，基于单波导的传输线芯片带通的频带宽度为0～0.8THz，基于双波导的传输线芯片带通的频带宽度为0～1.6THz，是单波导频带宽度的两倍。

实施例的作用与效果

本实施例提供了一种宽频传输线芯片，通过垂直翻转叠加的双层波导耦合，激发表面等离子激元，实现宽频传输。与传统的单层波导滤波器相比，本发明运用高效传输双层波导耦合，以一种简单的方式使频谱扩宽了两倍，解决了通信领域对宽频的需求的问题，为后期的科学研究工作奠定基础。同时，本实施例提供的宽频传输线芯片还具有结构简单、容易实现的优点。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种宽频传输线芯片，其特征在于，具有：

衬底；以及

金属层，设置于所述衬底的上表面上，

其中，所述衬底由石英、聚苯二甲酸乙二醇酯以及聚酰亚胺中的任意一种材料制成，

所述金属层包括：

信号获取部，为共面波导，用于从上位装置获取太赫兹波，并将其转化为准TEM波模式；

第一模式转换部，与所述信号获取部连接，包括Vivaldi天线以及第一双波导，

所述Vivaldi天线用于和所述信号获取部的阻抗相匹配，所述第一双波导包括结构相同且对称连接的第一上波导以及第一下波导，所述第一上波导以及第一下波导上均设置有复数个槽深逐渐增大的凹槽，用于激发表面等离子激元，将所述太赫兹波由准TEM波模式转化为表面波模式；

传导部，与所述第一模式转换部连接，用于让所述表面波传导，包括与所述第一双波导连接第二双波导，所述第二双波导包括结构相同且对称连接的第二上波导以及第二下波导，

所述第二上波导以及所述第二下波导均设置有复数个固定槽深的凹槽，所述固定槽深与所述第一双波导中最大的槽深相同；

所述Vivaldi天线包括开路腔、槽线以及指数线，所述第一双波导沿所述槽线向所述第二双波导处延伸；

第二模式转换部，与所述第一模式转换部沿所述传导部的中心线相对称，用于将所述太赫兹波由所述表面波模式转换为所述准TEM波模式；以及

信号输出部，为共面波导，和所述第二模式转换部连接，用于将所述太赫兹波传输给下位分析设备，

所述第一上波导由所述第一下波导绕水平方向轴线垂直翻转得到，与所述第一下波导对称接触连接，所述第一上波导与所述第一下波导叠加形成双层波导，

所述第二上波导由所述第二下波导绕水平方向轴线垂直翻转得到，与所述第二下波导对称接触连接，所述第二上波导与所述第二下波导叠加形成双层波导，

所述共面波导包括中心带以及位于所述中心带两侧且与所述中心带间隔一定间距的接地带，所述中心带和所述接地带之间的两个槽口分别作为所述信号获取部以及所述信号输出部的能量传输端口。

2.根据权利要求1所述的宽频传输线芯片，其特征在于，还包括：

矢量网络分析仪，通过两个探针分别和所述信号获取部以及所述信号输出部连接，用于发射和探测所述太赫兹波信号。

3.根据权利要求2所述的宽频传输线芯片，其特征在于：

其中，所述能量传输端口和所述矢量网络分析仪的探针连接。

4.根据权利要求3所述的宽频传输线芯片，其特征在于：

其中，所述中心带的高度为50μm，所述能量传输端口的高度为4.7μm，所述接地带的高度为100μm。