CN112216941B - 拉伸可重构人工表面等离激元传输线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在可拉伸柔性介质基底上实现的可重构人工表面等离激元传输线。该传输线包括可拉伸柔性介质基底(1)、附着于可拉伸柔性介质基底(1)上表面的第二可延展金属导体(3)和附着于第二可延展金属导体(3)外表面的第一可延展金属导体(2)构成拉伸可重构人工表面等离激元传输线。该传输线通过拉伸形变对人工表面等离激元周期结构参数进行调节，实现人工表面等离激元色散曲线和截止频率动态可重构。该传输线将人工表面等离激元传输线的可调控特性与柔性可延展微波电路相结合，在微波柔性电路和可调器件领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉伸可重构人工表面等离激元传输线技术，属于微波毫米波技术领域。
背景技术
随着电子信息技术的发展，电子设备的应用场景越来越丰富，需求不断多样化，小型化、多功能的需求日益显著，可拉伸电路逐渐成为一个新的需求点。可拉伸电路是柔性电子器件和设备不可或缺的部分：在电路受到外力拉伸、卷曲、弯折的情况下，可以保持性能的稳定，或发生可设计、可控制的性能变化，从而提升电路的稳定性，实现电路功能动态可重构，是集成电路和电子器件走向新的应用领域的必然产物。
实现可拉伸柔性器件的一种典型方法是使用转印或直接喷墨的技术，将传统的电路结构印制在可拉伸柔性介质基底上。可拉伸柔性介质基底具有良好的电学、力学和热学性能，在其上印制以金属为导电媒质的电路结构，就可以实现一定拉伸范围的柔性可拉伸电路。
人工表面等离激元传输线是一种印刷在介质衬底上的、具有周期性亚波长弯折或褶皱结构的金属条带，具有亚波长的场局域特性和较低的传输和辐射损耗，且可共形传输，是一种可满足微波毫米波电路小型化、共形化需求的新型传输载体。人工表面等离激元传输线分为单导体传输线和双导体传输线，其中双导体传输线可通过渐变微带线过渡实现高效激励，单导体传输线可通过共面波导及特殊设计的过渡结构实现高效激励。
发明内容
技术问题：本发明的目的是在可拉伸柔性介质基底上实现截止频率可重构的人工表面等离激元传输线，包括单导体和双导体传输线。该传输线包括可拉伸柔性介质基底以及附着于其上下表面的可延展金属导体构成的人工表面等离激元周期结构及过渡结构。在电路结构受到外力拉伸的情况下，人工表面等离激元结构单元长度和几何形状在一定范围内发生变化，导致色散曲线发生偏移，对应的传输线截止频率随拉伸形变量变化而改变，同时通带内传输性能保持良好，从而实现频率动态可重构的人工表面等离激元传输线。
技术方案：本发明为在可拉伸柔性介质基底上实现的频率可重构人工表面等离激元传输线。该传输线总体结构包括可拉伸柔性介质基底、附着于其上下表面的可延展金属导体构成的人工表面等离激元周期结构、及其与传统微波传输线之间的过渡结构。在可拉伸柔性介质基底上通过转印或直接喷墨的技术印制以金属为导电媒质的人工表面等离激元金属图形，实现柔性可拉伸人工表面等离激元传输线，使得传输线在具有高效传输特性的同时，具备拉伸频率可重构能力。
本发明采用以下具体方案：
本发明的一种拉伸可重构人工表面等离激元传输线包括可拉伸柔性介质基底、附着于可拉伸柔性介质基底上表面的第二可延展金属导体和附着于第二可延展金属导体外表面的第一可延展金属导体构成单导体拉伸可重构人工表面等离激元传输线。
其中，
所述单导体拉伸可重构人工表面等离激元传输线，在可拉伸柔性介质基底下表面再设置第二可延展金属导体和附着于第二可延展金属导体外表面的第一可延展金属导体构成双导体传输线。
可拉伸柔性介质基底为可为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚酰亚胺PI具有高弹性的薄膜介电材料。
所述第二可延展金属导体、第一可延展金属导体包括位于中部的人工表面等离激元周期结构及位于两端的过渡结构。
所述第二可延展金属导体、第一可延展金属导体为贴片型人工表面等离激元传输线或弯折线型人工表面等离激元传输线。
所述的过渡结构为微带线或共面波导。
所述第二可延展金属导体为高弹性薄膜介电材料层，第一可延展金属导体为涂覆在高弹性薄膜介电材料层上的金属涂层。
所述金属涂层为双层或多层复合结构。
所述拉伸可重构人工表面等离激元传输线利用拉伸延展改变人工表面等离激元周期单元的几何尺寸，控制色散曲线分布，实现传输线截止频率动态可重构。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过拉伸形变实现频率动态可重构的人工表面等离激元传输线，在电压控制之外提供了实时调控人工表面等离激元传输特性的新手段和新途径。并且可以将人工表面等离激元传输线应用于柔性电子电路和可调器件的应用场景之中，同时满足低损耗、小型化、可共形、可重构等实际需求。
附图说明
图1为本发明实施例一：贴片型双导体人工表面等离激元传输线的三维结构示意图。
图2为贴片型传输线上层结构示意图，其中lm为过渡段长度，i0为过渡段间隙，p为贴片周期，i为贴片间隙，a为贴片在传输方向上的长度；
图3为贴片型传输线下层结构示意图，其中l1为输入、输出端口微带长度，w1为输入、输出端口微带宽度，l2为过渡段长度，w2为中段均匀导体宽度；
图4为受纵向外力拉伸，贴片间隙i变化时人工表面等离激元传输结构的色散曲线，以及与光线的对比图；
图5(a)(b)分别为受纵向外力拉伸贴片间隙i变化的情形下的反射系数S11和传输系数 S21；
图6为实施例二：弯折线型单导体人工表面等离激元传输线俯视图，其中w1为导体宽度， g为共面波导段线间间隙，w2为共面波导段外层宽度，p为弯折线结构周期，dg为凹槽深度， wg为凹槽宽度。
图7为受纵向外力拉伸时，弯折线型人工表面等离激元传输单元形变示意图；
图8(a)、(b)为受纵向外力拉伸时，在不同拉伸程度下的反射系数S11和传输系数S21。
以上的图中有：可拉伸柔性介质基底1、第一可延展金属导体2、第二可延展金属导体3、人工表面等离激元周期结构4、过渡结构5、共面波导段6、过渡结构7、人工表面等离激元周期结构8。
具体实施方式
该拉伸可重构人工表面等离激元传输线使用可拉伸柔性介质基底，所述介质基底材料可为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等具有高弹性的薄膜介电材料。导体材料采用覆铜的聚酰亚胺复合板，可被拉伸一定长度而不产生塑性形变，也可采用其他金属作为导体覆层。
对于单导体人工表面等离激元传输线，通过共面波导和过渡结构进行激励，所述过渡结构由e指数曲线的张角及渐变单元结构组成。对于双导体的传输线，通过微带线和过渡结构进行激励，所述过渡结构为渐变单元结构。
下面结合附图和实施例对本发明进行更深入的详细说明。
实施例1：
贴片型双导体人工表面等离激元传输线。图1为贴片型结构的三维结构示意图，采用高弹性介电材料作为可拉伸柔性介质基底1，介电材料为PDMS，介电常数为3，损耗角正切在 10GHz时为0.01，厚度为1mm。上层可拉伸导体为矩形贴片，下层可拉伸导体为优化设计的金属条带或金属地。上、下层可拉伸导体均由一层铜箔和一层PI材料复合而成，PI材料介电常数为3，厚度为0.02mm，铜箔的厚度为0.02mm。
图2为贴片型双导体人工表面等离激元传输线上层示意图，其中x方向是传播方向。上层的导体结构在x方向和y方向都呈现轴对称。传输线的结构参数如下：过渡段长度lm＝16.55mm，过渡段间隙i0＝0.2mm，贴片周期p＝9mm，周期贴片间隙i＝0.5mm，贴片在传输方向上的长度a＝8.5mm。
图3为贴片型双导体人工表面等离激元传输线下层示意图。下层导体是一种变形的金属地设计，优化的结构参数如下：输入、输出端口微带长度l1＝3mm，宽度w1＝2.5mm，过渡段长度l2＝13.55mm，中段均匀导体宽度w2＝1.5mm。
图4为受沿x方向外力拉伸导致贴片间隙i变化时人工表面等离激元结构的色散曲线及其与光线的对比。当贴片间隙i增大时，色散曲线逐渐远离光线，人工表面等离激元截止频率降低。
图5(a)(b)分别为受沿x方向外力拉伸导致贴片间隙i变化时的反射系数S11和传输系数S21对比图。随着拉伸强度增加，贴片间隙i逐渐从0.5mm增大至1.5mm，传输线的截止频率逐渐由8GHz降低至7.4GHz，表现出截止频率和通带动态可重构的性能。
实施例2：
弯折线型单导体人工表面等离激元传输线。图6为弯折线型单导体人工表面等离激元传输线俯视图。实施例二采用了与实施例一相同材料的可拉伸柔性介质基底和可拉伸导体，但只有上层导体没有下层导体。实施例二包括了共面波导段6、渐变过渡段7和均匀弯折线段8，结构参数为导体宽度w1＝6mm，共面波导段间隙g＝0.32mm，共面波导段外层宽度w2＝19.18mm，弯折线结构周期p＝6mm，凹槽深度dg＝5.2mm，凹槽宽度wg＝1mm。共面波导段6长度为12mm，渐变过渡段7长度为36mm，包含e指数曲线的张角结构和凹槽深度渐变的弯折线结构。
图7为受沿x方向外力拉伸导致弯折线单元结构形变示意图。
图8(a)(b)分别为受沿x方向外力拉伸导致弯折线结构形变时的反射系数S11和传输系数S21对比。受拉伸形变时，传输线的截止频率由6GHz降低至5GHz，表现出截止频率和通带动态可重构的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于，包括可拉伸柔性介质基底（1）、附着于可拉伸柔性介质基底（1）上表面的第二可延展金属导体（3）和附着于第二可延展金属导体（3）外表面的第一可延展金属导体（2）构成单导体拉伸可重构人工表面等离激元传输线；在可拉伸柔性介质基底（1）下表面再设置第二可延展金属导体（3）和附着于第二可延展金属导体（3）外表面的第一可延展金属导体（2）构成双导体传输线。
2.根据权利要求1所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于可拉伸柔性介质基底（1）为可为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚酰亚胺PI具有高弹性的薄膜介电材料。
3.根据权利要求1所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于所述第二可延展金属导体（3）、第一可延展金属导体（2）包括位于中部的人工表面等离激元周期结构（4）及位于两端的过渡结构（5）。
4.根据权利要求1所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于所述第二可延展金属导体（3）、第一可延展金属导体（2）为贴片型人工表面等离激元传输线或弯折线型人工表面等离激元传输线。
5.根据权利要求3所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于所述的过渡结构（5）为微带线或共面波导。
6.根据权利要求1所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于所述第二可延展金属导体（3）为高弹性薄膜介电材料层，第一可延展金属导体（2）为涂覆在高弹性薄膜介电材料层上的金属涂层。
7.根据权利要求6所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于所述金属涂层为双层或多层复合结构。
8.根据权利要求1所述的拉伸可重构人工表面等离激元传输线，其特征在于所述拉伸可重构人工表面等离激元传输线利用拉伸延展改变人工表面等离激元周期单元的几何尺寸，控制色散曲线分布，实现传输线截止频率动态可重构。
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| PB01 | Publication | ||
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