CN110854494B - 基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线。包括介质基板、金属槽线、两个匹配单元和两个微带馈线；所述的金属槽线与匹配单元位于介质基板同一侧，微带馈线位于介质基板另一侧；两个匹配单元一端与金属槽线连接，另一端两分别与两个微带馈线重叠。两个匹配单元与两个微带馈线对称设置在金属槽线两端；金属槽线包括多个开槽单元，在开槽单元中排布有多个金属条组成的交指结构。本发明具有高效传输特性，在保持传输线线宽尺寸不变的前提下，实现了更低频率的电磁波截止特性，实现了传输线的小型化设计，可快速实现具体不同程度的小型化人工表面等离激元传输线。具有低串扰、高效特性，提高了空间利用率，便于加工制作、成本低。

Description

基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，尤其是一种基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线。

背景技术

表面等离激元(surface plasmon polaritons)是一种产生于金属和介质分界面的特殊的电磁响应。在自然状态下，其一般存在于近红外、光波段等高频段下，表现为一种在金属和介质分界面上沿着金属表面传播的表面波形式。该表面波的电场沿分界面法向方向呈指数衰减，具有很强的束缚性。由于这种在亚波长尺寸条件下对光的高强度的束缚性，表面等离激元被广泛应用于突破衍射极限，构建各种高度集成的光学元件和电路。利用具有特定结构的超材料(Metamaterials)人工表面单元可以成功的将这种特殊的表面波模式引入较低频段。人工表面等离激元高效激励的实现，大大促进了人工表面等离激元在工程应用中的发展。包括高效传输线、多波段及宽带滤波器、功分器、天线、定向传输、慢波局域束缚、功率放大器、混频器等一系列基于人工表面等离激元的有源、无源器件相继被提出。如本文涉及的梳状波纹金属结构传输线便是一种在太赫兹及微波频段有效地传输上述表面波的模型。其实现了类似表面等离激元的表面波色散特性。

对于传统的波纹金属结构传输线，其截止频率主要取决于槽深，随着槽深的h的增加，截止频率明显下降。但是在截止频率降低的同时，由于h的增加传输线对波的束缚增强，从而导致传输距离的减短。通过增加h，或是附加结构来调节截止频率往往会增加传输线的横向尺寸；影响传输线的传输效率。

发明内容

本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线。在常用周期开槽型人工表面等离激元结构的槽结构单元内附加一组交指金属臂结构，可在不影响传输效率的情况下实现对截止频率的有效控制，从而实现人工表面等离激元的小型化设计。

本发明包括介质基板、金属槽线、两个匹配单元和两个微带馈线；所述的金属槽线与匹配单元位于介质基板同一侧，微带馈线位于介质基板另一侧；两个匹配单元一端与金属槽线连接，另一端两分别与两个微带馈线重叠。两个匹配单元与两个微带馈线对称设置在金属槽线两端；

所述的匹配单元均包括圆形谐振腔和三组槽线；圆形谐振腔位于第一槽线始端，负责提升耦合效率及提供槽线单向传输性能；第一槽线为宽度均匀的槽线，负责与背面微带馈线耦合，其终端连接第二槽线始端；第二槽线为一条宽度均匀渐变的过渡槽线，其终端连接第三槽线，负责第一、三槽线阻抗匹配；第三槽线始端一侧周期设置五组垂直于槽线方向的深度渐变的开槽结构，负责槽线内信号向人工表面等离激元模式匹配过渡；五组渐变开槽结构后连接槽深均匀的金属槽线；金属槽线包括多个开槽单元，在开槽单元中排布有多个金属条组成的交指结构，实现互补人工表面等离激元的小型化。

作为优选，所述的第三槽线始端一侧周期蚀刻五组垂直于槽线方向的深度渐变的开槽结构。

作为优选在所述的均匀开槽的金属槽线中，前三个开槽单元内分别设置一条、两条、三条金属条结构，负责周期开槽单元与添加交指结构的开槽结构之间的模式匹配；第四个均匀开槽单元开始，开槽单元内设置四条交错排布的金属条。

本发明还可以是包括介质基板、位于介质基板表面的人工表面等离激元传输线，以及该传输线两端对称设置的微带馈线和接地板；所述的人工表面等离激元传输线包括金属条带与第三接地板；第一微带馈线、第二微带馈线、金属条带位于介质基板正面，第一接地板、第二接地板、第三接地板位于介质基板背面；第一微带馈线、第二微带馈线、金属条带与第一接地板、第二接地板、第三接地板的安装位置一一对应。第一微带馈线、第二微带馈线均设置有两个，对称安装在金属条带的两端，第二微带馈线用于连接第一微带馈线与金属条带。第一接地板、第二接地板也均设置有两个，对称安装在第三接地板的两侧，第二接地板用于连接第一接地板与第三接地板；

所述的第一微带馈线与第一接地板构成特性阻抗为50Ω的微带馈线；第二微带馈线与接地板为渐变过渡设计，第一微带馈线与金属条带通过第二微带馈线经渐变过渡连接。第二微带馈线一侧连接第一微带馈线，另一侧连接金属条带；第二接地板一侧连接第一接地板，另一侧连接第二接地板。金属条带与第三接地板组成人工表面等离激元传输线，金属条带和第三接地板等宽。

所述的金属条带两侧对称设置有7单元周期长度的匹配单元，靠近第二微带馈线四周期单元为深度等比例渐变的开槽结构，远离第二微带馈线三周期单元为深度相同的开槽单元。在这三个开槽单元中分别设置有1～3条交指金属臂。金属臂交错连接于槽结构两壁处。金属条带中间为若干周期均匀复合开槽单元结构，各均匀复合开槽单元内均匀交错排布多条交指金属臂。

所述的第二微带馈线和第二接地板负责均匀第一微带馈线与金属条带之间的宽带阻抗匹配；匹配单元的前四周期单元为深度等比例渐变的开槽结构负责信号从微带波导模式向人工表面等离激元模式的转换与匹配；匹配单元的后三周期负责人工表面等离激元与小型化设计间的模式匹配。

作为优选，所述的第一接地板为完整金属接地面。

作为优选，所述的匹配单元的远离第二微带馈线三周期开槽单元内按序分别设置有一条、两条、三条交指金属臂；金属条带中间为若干周期均匀复合开槽单元结构，各均匀复合开槽单元内均匀交错排布四条交指金属臂。

调节开槽结构内交指金属臂结构数量，可以有效改变截止频率，实现不同程度小型化传输性能。

有益效果：

1、本发明提出的带交指金属臂结构的人工表面等离激元传输线具有高效传输特性，在保持传输线线宽尺寸不变的前提下，实现了更低频率的电磁波截止特性，实现了传输线的小型化设计；调节交指金属臂结构的尺寸、排布规律，可快速实现具体不同程度的小型化人工表面等离激元传输线。

2、本发明具有低串扰、高效特性。在本发明中，所设计小型化传输线相比于传统人工表面等离激元传输线宽度减小50％，大大提高了空间利用率。

3、本发明具有便于加工制作、成本低等特点。结构本身对介质基板的形变不敏感，可以被附在球面、锥形等非平面介质基板表面，制造共形器件。

附图说明

图1是小型化人工表面等离激元传输线正面和背面结构示意图；

图2是附加不同数目交指金属臂的周期开槽结构色散特性对比；

图3是本发明中小型化人工表面等离激元传输线与传统设计的传输效率对比结果；

图4是小型化互补人工表面等离激元传输线正面、侧面、背面结构示意图；

图5是本发明附加不同数目交指金属臂的互补单元结构色散特性对比；

图6是本发明小型化互补人工表面等离激元传输线与传统设计的S参数对比。

具体实施方式

如图1所示，基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线包括介质基板、位于介质基板表面的人工表面等离激元传输线，以及该传输线两端对称设置的微带馈线；第一微带馈线M0、第二微带馈线M1、金属条带M2位于介质基板正面，第一接地板B0、第二接地板B1、第三接地板B2位于介质基板背面。第一微带馈线M0、第二微带馈线M1均设置有两个，对称安装在金属条带M2的两端，第二微带馈线M1用于连接第一微带馈线M0与金属条带M2。第一接地板B0、第二接地板B1也均设置有两个，对称安装在第三接地板B2的两侧，第二接地板B1用于连接第一接地板B0与第三接地板B2；第一微带馈线M0、第二微带馈线M1、金属条带M2与第一接地板B0、第二接地板B1、第三接地板B2的安装位置一一对应。

第一微带馈线M0与第一接地板B0构成特性阻抗为50Ω的微带馈线；微带接地板B0为完整金属接地面；第一微带馈线M0线宽1.37mm。第二微带馈线M1与接地板B1为渐变过渡设计，第一微带馈线M0与金属条带M2通过第二微带馈线M1经渐变过渡连接。第二微带馈线M1长度为20mm，一侧连接第一微带馈线M0，另一侧连接金属条带M2；第二微带馈线M1宽度从1.37mm连续渐变增加至4.4mm。第二接地板B1一侧连接第一接地板B0，另一侧连接第二接地板B2。第二接地板B1宽度由20mm连续渐变减小至4.4mm。金属条带M2与第三接地板B2组成人工表面等离激元传输线；金属条带M2和第三接地板B2等宽。

金属条带M2两侧对称设置有7单元周期长度的模式匹配设计，单元周期为4mm，开槽宽度为3mm。所述模式匹配设计前四周期单元为深度等比例渐变的开槽结构S1、S2、S3、S4，槽深分别为1mm、2mm、3mm、4mm。后三周期单元为深度4mm的开槽单元S5、S6、S7。在这三个开槽单元中分别设置有一条、两条、三条交指金属臂，金属臂宽0.2mm，长2.5mm。金属臂交错连接于槽结构两壁处。传输线两组模式匹配设计中间为若干周期均匀复合开槽单元结构，各单元内均匀交错排布四条交指金属臂结构。金属条带M2和第三接地板B2共同组成小型化人工表面等离激元传输线。

信号经信号源由第一微带馈线M0馈入，由第二微带馈线M1实现阻抗匹配传递至金属条带M2处。在金属条带M2边缘，信号经渐变槽线S1-S4实现模式匹配，将传统微带导波模式电磁波转变为人工表面等离激元模式电磁波。并在槽线S5-S7处实现人工表面等离激元模式与小型化人工表面等离激元模式转换，继而在小型化传输线中高效传输。

如图2所示，附加交指金属臂结构的开槽单元色散特性对比，图中黑色曲线为传统周期开槽结构的色散特性，曲线截止于12.4GHz。虚线、点划线、以及带有方形和圆形标注的曲线分别代表在开槽内部附加一至四条交指金属臂结构的复合单元的色散特性。从图中可以观察到，随着附加交指金属臂结构数目的增加，色散曲线的截止频率逐渐降低。对本设计所涉及的四金属臂开槽复合单元，其截止频率为6GHz。

图3所示为所设计小型化人工表面等离激元传输线与传统设计方案的传输效率对比结果。从图中可以得知，在保持两组传输线宽度一致的前提下，传统设计信号传播截止于10.4GHz处。新型结构所实现的截止频率大幅下降至5.7GHz。系统尺寸得到了有效降低。

如图4所示为另一实施例，小型化互补人工表面等离激元传输线结构示意图。图中圆形谐振腔C1、第一槽线T1、第二槽线T2、第三槽线T3位于介质基板正面。微带M4与短截线C2位于介质基板背面。微带M4采用50Ω微带线设计，作为传输线馈电端，微带宽1.37mm。微带M4与宽度为0.2mm的第一槽线T1正交交错排布，微带M4垂直于槽线延伸方向，在z方向与第一槽线T1呈正交关系，通过耦合将能量馈入槽线T1中。正面圆形开孔谐振腔C1连接于第一槽线T1终端，背面圆形短截线C2连接于微带M4终端，负责改善耦合匹配性能，提高馈电效率。C1和C2半径尺寸分别为2mm和3.5mm。耦合至第一槽线T1中的能量经第二槽线T2传递至第三槽线T3中。依据传输线阻抗匹配原则，第二槽线T2宽0.6mm，长6mm。第三槽线T3金属板边缘周期蚀刻有金属开槽结构，构成互补人工表面等离激元传输线。第三槽线T3两侧对称设置有8单元周期长度的模式匹配设计，单元周期为4mm，开槽宽度为3mm。传播至第三槽线T3的信号在匹配设计前五周期单元内实现传统槽线导波模式至互补人工表面等离激元模式的转变。所述五周期单元为深度等比例渐变的开槽结构G1、G2、G3、G4、G5，槽深分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。匹配设计后三周期单元为深度5mm的开槽结构G6、G7、G8，在这三个开槽结构中分别设置有一条、两条、三条交指金属臂结构，金属臂宽0.2mm，长2.5mm。互补人工表面等离激元模式信号再改段传输线中进一步被调制为小型化模式信号。两组匹配设计中间为若干周期均匀带交指开槽单元，各单元开槽结构内均匀排布四条交指金属臂结构。

图5为周期开槽金属结构色散特性对比。图中黑色曲线为传统金属开槽结构色散分布曲线，虚线、点划线、带有圆形和方向标志的实线分别代表开槽结构内附加一至四条交指金属臂结构的复合单元色散曲线。从图中可以看出，随着频率上升，所有设计均存在高频极限，即存在高频传输截止频率。而在保持槽深尺寸不变时，增加不同数量的交指金属臂结构，色散截止频率从10GHz逐渐下降至5.5GHz。这意味着，在保持总尺寸不变的前提下，本发明设计具有更低的截止频率。而由于人工表面等离激元截止特性与槽深尺寸直接相关，因此，当选择某一特定截止频率不变时，本发明中设计总宽度将远小于传统人工表面等离激元设计的宽度。同时截止频率随交指结构数目上升而降低的趋势，表面利用渐变交指数目的设计排布实现人工表面等离激元小型化设计的模式匹配具有可行性。

图6为传统互补人工表面等离激元传输线与本发明中小型化互补人工表面等离激元传输线S参数对比结果。从图中观察可得，在保持线宽尺寸一致的前提下，传统设计截止于10GHz左右。而本设计截止于5.5GHz左右。截止频率得到大幅度降低，直接验证了本发明设计理论的正确性与操作可行性。

总之，本发明的小型化人工表面等离激元由周期开槽单元结构中附加交指结构组成。交指结构的引入，大大降低了单元结构的色散截止频率。有助于进一步减小人工表面等离激元设计的总体尺寸。

本发明的带有交指结构的周期开槽结构，具有更强的近场束缚能力，可以有效抑制器件间串扰，提高系统电磁兼容性能与系统稳定性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线，包括介质基板、位于介质基板表面的人工表面等离激元传输线，以及该传输线两端对称设置的微带馈线和接地板；其特征在于：所述的人工表面等离激元传输线包括金属条带与第三接地板；第一微带馈线、第二微带馈线、金属条带位于介质基板正面，第一接地板、第二接地板、第三接地板位于介质基板背面；第一微带馈线、第二微带馈线、金属条带与第一接地板、第二接地板、第三接地板的安装位置一一对应；第一微带馈线、第二微带馈线均设置有两个，对称安装在金属条带的两端，第二微带馈线用于连接第一微带馈线与金属条带；第一接地板、第二接地板也均设置有两个，对称安装在第三接地板的两侧，第二接地板用于连接第一接地板与第三接地板；

所述的第一微带馈线与第一接地板构成特性阻抗为50Ω的微带馈线；第二微带馈线与接地板为渐变过渡设计，第一微带馈线与金属条带通过第二微带馈线经渐变过渡连接；第二微带馈线一侧连接第一微带馈线，另一侧连接金属条带；第二接地板一侧连接第一接地板，另一侧连接第二接地板；金属条带与第三接地板组成人工表面等离激元传输线，金属条带和第三接地板等宽；

所述的金属条带两侧对称设置有7单元周期长度的匹配单元，靠近第二微带馈线四周期单元为深度等比例渐变的开槽结构，远离第二微带馈线三周期单元为深度相同的开槽单元；在这三个开槽单元中分别设置有1～3条交指金属臂；金属臂交错连接于槽结构两壁处；金属条带中间为若干周期均匀复合开槽单元结构，各均匀复合开槽单元内均匀交错排布多条交指金属臂；

所述的匹配单元的远离第二微带馈线三周期开槽单元内按序分别设置有一条、两条、三条交指金属臂；金属条带中间为若干周期均匀复合开槽单元结构，各均匀复合开槽单元内均匀交错排布四条交指金属臂；

所述的第二微带馈线和第二接地板负责均匀第一微带馈线与金属条带之间的宽带阻抗匹配；匹配单元的前四周期单元为深度等比例渐变的开槽结构负责信号从微带波导模式向人工表面等离激元模式的转换与匹配；匹配单元的后三周期负责人工表面等离激元与小型化设计间的模式匹配。

2.如权利要求1所述的一种基于交指结构的小型化人工表面等离激元传输线，其特征在于：所述的第一接地板为完整金属接地面。

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