CN110739998A - 基于人工表面等离激元的模分复用电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元的模分复用电路，包括两块介质基板，以中间层金属地为间隔，上层介质基板介电常数和厚度均大于下层介质基板，中间层金属地两端刻蚀有圆形通孔与槽线；上层介质基板的顶层金属条带纵向两侧对称地连接有金属短截线，构成顶层人工表面等离激元结构，顶层金属条带两端设有微带线到人工表面等离激元结构的过渡结构，作为偶模激励端口；下层介质基板的底层设有金属条带，其末端与圆形金属片相接位于两侧，作为奇模激励端口。本发明基于人工表面等离激元实现的模分复用技术，传输效率高，信道串扰小，可以有效地在微波频段提高系统的传输容量和频谱利用率，在微波通信领域有着广阔的应用前景。

Description

基于人工表面等离激元的模分复用电路
技术领域
本发明涉及一种人工电磁和微波通信技术，尤其涉及一种基于人工表面等离激元的模分复用电路。
背景技术
表面等离激元(surface plasmon polaritons，SPPs)是一种表面电磁波，主要存在于在介电常数相反的两种介质的交界面。在可见光频段，由于金属具有负的介电常数，其内部的自由电子呈等离子态，而空气的介电常数是正值，所以在金属与空气的交界面上存在着自然状态下的表面等离激元。表面等离激元具有独特的性质如场增强效应、场束缚能力显著以及亚波长效应。但是在频率较低的情况下，如微波频段，金属表现为理想电导体而不是等离子体，所以在低频段不存在天然的表面等离激元。
应用人工电磁材料的技术手段可以在微波毫米波频段激发人工表面等离子体，已有研究证明特定的锯齿结构可以在微波及太赫兹波段支持类似于自然状态下的表面等离激元传输，被称为人工表面等离激元。
随着移动互联网、云计算、大数据、5G等技术的飞速发展，全球带宽需求呈现爆炸式增长。然而香农定理表明在误码率一定的情况下，信道容量是有一定上限的。在保证信号传输质量的同时，传统的单模传输模式其最大的传输容量正在逐步逼近其香农极限，巨大的带宽需求和有限的传输容量之间的矛盾日益加剧，微波通信领域可利用的频谱资源更是匮乏，所以寻找新的参数维度成为研究热点。
在光纤通信领域通过对空间维度的复用可以实现对传输容量的扩充，其中，模分复用技术是一种有效的解决方法。然而在微波频段，缺乏可实现模分复用的技术手段。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于人工表面等离激元的模分复用电路，用于微波频段频谱拥挤带宽窄的问题。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于人工表面等离激元的模分复用电路，包括上层介质基板、下层介质基板和中间层金属地；上层介质基板的顶层表面中间设有第一金属条带，所述第一金属条带沿纵向两侧对称地连接有一系列等长度的第一金属短截线，所述第一金属条带两端依次连接过渡结构和微带线；下层介质基板的底层表面两端对称的设有第二金属条带，所述第二金属条带一端连接圆形金属片；所述模分复用电路包括四个接电端口，上层介质基板的微带线端口为人工表面等离激元的偶模输入输出端口，下层介质基板的第二金属条带微带线端口为人工表面等离激元的奇模输入输出端口。
进一步地，所述上层介质基板的介电常数大于下层介质基板，所述上层介质基板的厚度大于下层介质基板。
进一步地，所述过渡结构包括宽度渐变的第三金属条带和长度渐变的第二金属短截线。
进一步地，所述第三金属条带的宽度从微带线宽度渐变到第一金属条带宽度，所述第二金属短截线的长度从0渐变到第一金属短截线的长度。
进一步地，所述中间层金属地上刻蚀有圆形通孔和槽线，圆形通孔和槽线相连接，其连接点正对于底层第二金属条带和圆形金属片的连接点。
有益效果：本发明的基于人工表面等离激元的模分复用电路，可以在微波频段实现模分复用，与现有技术相比具有有益效果：(1)在一条人工表面等离激元传输线上实现奇偶模同频同时高效激励；(2)人工表面等离激元传输线的奇模和偶模两种模式的隔离度高；(3)在工作频带内，相较于单模传输，其信道容量可提高一倍；(4)利用人工表面等离激元结构特性高度可控的优势，可以实现多频段的模分复用；(5)利用人工表面等离激元的亚波长效应，有助于实现系统小型化。
附图说明
图1是本发明基于人工表面等离激元的模分复用电路的结构示意图；
图2是本发明的上层介质基板结构示意图；
图3是本发明的中间层金属地结构示意图；
图4是本发明的下层介质基板结构示意图。
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作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的基于人工表面等离激元的模分复用电路，包括上层介质基板1和下层介质基板10，以中间层金属地7作为上层介质基板的间隔。
如图2所示，上层介质基板1的顶层表面正中间设有第一金属条带2，沿纵向两侧对称地连接有一系列等长度的第一金属短截线6，构成顶层人工表面等离激元结构，第一金属条带2的两端连接微带线过渡结构3和微带线。
从微带线到人工表面等离激元第一金属条带2的过渡结构3包括宽度渐变的第三金属条带4和长度渐变的第二金属短截线5。其中，宽度渐变的第三金属条带4的宽度从50欧姆微带线宽度渐变到人工表面等离激元第一金属条带2宽度，第二金属短截线5的长度渐变其长度从0渐变到人工表面等离激元第一金属短截线6的长度。
如图3所示，中间金属地7上刻蚀有圆形通孔8和槽线9，圆形通孔8和槽线9相连接，其连接点正对于底层第二金属条带11和圆形金属片12的连接点。
如图4所示，下层介质基板10的底层表面设有第二金属条带11，第二金属条带11对称地设置在下层介质基板10的两端，第二底层金属条带11一端连接圆形金属片12。
上层介质基板1与下层介质基板10不同，上层介质基板1的介电常数和厚度均大于下层介质基板10的参数，对应奇偶模的不同激励方式。
本发明的基于人工表面等离激元模分复用电路是一个四端口结构，接口电路形式均为微带电路，其中，顶层微带线端口为人工表面等离激元的偶模输入输出端口，底层第二金属条带微带线端口为人工表面等离激元的奇模输入输出端口。本发明的模分复用技术为多输入输出电路，可以进行双模同频同时传输，传输效率高且模式隔离度高。
在工艺上，本发明具体实施方式所述的基于人工表面等离激元的模分复用电路可以通过普通的印刷电路板(PCB)工艺实现，也可以方便的移植到CMOS工艺中。

Claims (5)

1.一种基于人工表面等离激元的模分复用电路，其特征在于，包括上层介质基板(1)、下层介质基板(10)和中间层金属地(7)；
上层介质基板(1)的顶层表面中间设有第一金属条带(2)，所述第一金属条带(2)沿纵向两侧对称地连接有一系列等长度的第一金属短截线(6)，所述第一金属条带(2)两端依次连接过渡结构(3)和微带线；
下层介质基板(10)的底层表面两端对称的设有第二金属条带(11)，所述第二金属条带(11)一端连接圆形金属片(12)；
所述模分复用板包括四个接电端口，上层介质基板(1)的微带线端口为人工表面等离激元的偶模输入输出端口，下层介质基板(10)的第二金属条带微带线端口为人工表面等离激元的奇模输入输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的模分复用电路，其特征在于，所述上层介质基板(1)的介电常数大于下层介质基板(10)，所述上层介质基板(1)的厚度大于下层介质基板(10)。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的模分复用电路，其特征在于，所述过渡结构(3)包括宽度渐变的第三金属条带(4)和长度渐变的第二金属短截线(5)。
4.根据权利要求3所述的基于人工表面等离激元的模分复用电路，其特征在于，所述第三金属条带(4)的宽度从微带线宽度渐变到第一金属条带(2)宽度，所述第二金属短截线(5)的长度从0渐变到第一金属短截线(6)的长度。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的模分复用电路，其特征在于，所述中间层金属地(7)上刻蚀有圆形通孔(8)和槽线(9)，圆形通孔(8)和槽线(9)相连接，其连接点正对于底层第二金属条带(11)和圆形金属片(12)的连接点。
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