CN113488751A - 一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太赫兹器件技术领域，具体涉及一种矩形波导‑人工表面等离子体激元过渡结构。该结构是由设置在正面的第一单枝节偶极子天线、第一锥形金属结构、第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线，配合设置在反面的第二单枝节偶极子天线、第二锥形金属结构、第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线、金属接地板共同组成。通过偶极子天线，将波导的导波能量耦合至平面结构；再通过锥形结构与第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线，将偶极子天线耦合的电磁能量高效的转换为人工表面等离子体激元SSPPs传输线的传输模式。本发明由于正反两面各部件都是在二维平面上进行加工装配的，电路尺寸可控，更易于加工。

Description

一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构
技术领域
本发明涉及太赫兹器件技术领域，具体涉及一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构。
背景技术
太赫兹波(THz)一般是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30um)范围内的电磁波，位于电子学向光子学的过渡阶段，因而其具有微波与光波双重特性。从微波的角度看，太赫兹波能承载的信号容量更大，传输时间更短，因此太赫兹通信技术很可能在将来成为地面移动信号传递重要的高速传输技术；从光波的角度看，太赫兹波具有更强的穿透力，在低损耗的情况下可以穿透布料和衣服，并且能够做到对人体无害，因此太赫兹波还可以用于安检系统。此外，太赫兹雷达还能够通过高精度来实现反隐形探测，在国防应用上具有巨大的潜力，目前是一个重要的研究热点。
人工表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)是在具有特定周期结构表面存在的一种特殊的电磁波模式，该工作模式具备表面等离子体波类似的色散特性，且继承了表面等离子体波的多种优良电磁特性。SSPPs对于入射太赫兹波场可以表现出较强的束缚能力，同时具有近场增强与亚波长尺寸工作特性。上述特性有利于器件的小型化，并且在高度集成的电路中能同时兼顾高速、低插损以及低串扰的特性，能够极好地满足太赫兹小型化系统的要求。
由于太赫兹波频率较高，对环境尺寸极为敏感，降低太赫兹波在传输过程中产生的损耗是及其关键的。太赫兹系统封装多为波导输入输出，而内部电路为平面结构，所以太赫兹波导与平面的SSPPs传输线之间的过渡研究很重要。现有研究中，矩形波导到SSPPs的过渡多采用渐变的台阶接触结构，且工作在微波毫米波频段。随着频率上升到太赫兹频段，电路尺寸相应降低，导致这种渐变的台阶接触结构存在难以加工的问题。综上，研究太赫兹矩形波导-SSPPs传输线的过渡结构，是及其重要的。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，为解决现有技术中在太赫兹频段下渐变的台阶接触过渡结构难以加工的技术问题，本发明提供了一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，通过采用在二维平面上完成电路结构设置的方式，简化了加工工艺。具有结构简单，低损耗的优点。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，包括衬底；
所述衬底的正面设有第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线；第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有多个第一凹槽，它的两端均依次连接第一锥形金属结构和第一单枝节偶极子天线；第一单枝节偶极子天线的枝节延伸方向与第一凹槽的开口方向相反；
所述衬底的反面设有金属接地板，金属接地板的两侧分别连接有第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线；第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有至少2个第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽的开口方向相反；第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线远离金属接地板的一端依次连接有第二锥形金属结构和第二单枝节偶极子天线；第二单枝节偶极子天线的枝节延伸方向与第二凹槽的开口方向相反。
进一步的，第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影，与第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影完全重合。
进一步的，所述第一凹槽和第二凹槽的周期长度P相等、深度h相等，凹槽的槽宽P-W2相等。
进一步的，所述衬底为石英衬底。
本发明提供的一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，如图1所示，该过渡结构是由设置在正面的第一单枝节偶极子天线、第一锥形金属结构、第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线，配合设置在反面的第二单枝节偶极子天线、第二锥形金属结构、第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线、金属接地板共同构成的。通过在第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有的多个第一凹槽，第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有的至少2个第二凹槽结构，能将场很好的束缚在金属与衬底的接触面，降低了太赫兹波的传输损耗，减小了串扰影响。在本发明中，由于第一凹槽和第二凹槽的开口方向相反设置，当第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影，与第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影完全重合后，使得这部分人工表面等离子体激元SSPPs传输线所形成的类似于双侧凹槽结构，具有与单侧凹槽结构的SSPPs传输线相近的色散曲线和传播模式，这就相当于在结构中增加了一个传播模式转换结构，通过该转换结构实现了导波动量匹配和模式转换，进而能够实现高效率转换。此外，由于本发明的结构都是在二维平面上进行加工装配的，电路尺寸可控，更易于加工。
与现有技术相比，本发明的过渡结构实现了在太赫兹波导到人工表面等离子体激元SSPPs传输线的过渡，且具有更高效率和更大宽带过渡，可以广泛应用于太赫兹波导到芯片过渡和太赫兹等离子体系统封装中，具有低损耗、小尺寸的优点，且整体结构简单，更易于加工。
附图说明
图1为实施例的过渡结构整体结构示意图；
图2为实施例的过渡结构的正面示意图；
图3为实施例的过渡结构的反面示意图；
图4为实施例中过渡结构与外部矩形波导连接图：
图5为实施例过渡结构的太赫兹频段仿真结果图；
附图标记：1、第一单枝节偶极子天线；2、第一锥形金属结构；3/4、第一人工表面等离子体激元传输线；5、石英衬底；6、波导上腔体；7、波导下腔体；8、波导凸台；9、第二单枝节偶极子天线；10、第二锥形金属结构；11、第二人工表面等离子体激元传输线；12、金属接地板。
具体实施方式
本发明提供的一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，包括衬底。如图2所示，衬底的正面设有第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线；第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有多个周期排列第一个凹槽，它的两端均依次连接第一锥形金属结构和第一单枝节偶极子天线；第一单枝节偶极子天线的枝节延伸方向与第一凹槽的开口方向相反。
如图3所示，衬底的反面设有金属接地板，金属接地板的两侧分别连接有第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线；第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有2个第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽相适应且第一凹槽与第二凹槽的开口方向相反；第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线远离金属接地板的一端依次连接有第二锥形金属结构和第二单枝节偶极子天线；第二单枝节偶极子天线的枝节延伸方向与第二凹槽的开口方向相反。第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影，与第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影完全重合。
在本实施例中，第一单枝节偶极子天线和第二单枝节偶极子天线共同构成偶极子天线。偶极子天线将电磁场的导波模式转化为偶极子天线的共振模式，使其将波导电磁场耦合到过渡结构中(即图中的灰色区域)，从而实现能量的耦合。第一锥形金属结构和第二锥形金属结构用于实现阻抗匹配。在设计过程中，为得到最佳阻抗匹配方式，将锥形金属结构的最宽面与单枝节偶极子天线的一端相连，锥形金属结构的最窄面连接人工表面等离子体激元SSPPs传输线，并与人工表面等离子体激元SSPPs传输线相匹配。使用时，由于第一凹槽和第二凹槽的开口方向相反设置，当第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影，与第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影完全重合后，使得这部分人工表面等离子体激元SSPPs传输线形成类似于双侧凹槽结构，这就相当于在结构中增加了一个传播模式转换结构，通过该转换结构实现了双侧人工表面等离子体激元SSPPs传输线与单侧人工表面等离子体激元SSPPs传输线之间的导波动量匹配和模式转换；另外，这部分传输线具有与单侧凹槽结构的SSPPs传输线相近的色散曲线和传播模式，因此能够具有更高的转换效率。
在本发明中，第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的总长度L2、宽度W1；第一凹槽、第二凹槽的周期长度P、深度h、凹槽的槽宽P-W2；锥形金属结构的长度Ltaper、宽度Wtaper都可以调整。通过调整上述参数可以实现宽带内的阻抗匹配和优异的过渡及传输性能。
为更好的说明本发明的优点，本发明对上述结构进行了具体实施。在实施过程中，为获得最优的过渡性能，本实施例通过大量电磁模型仿真确定了各部件的参数：其中第一、第二单枝节偶极子天线的枝节长度都为L1为240um，宽度都为W3为25um；第一、第二锥形过渡金属结构的长度都为LTaper为35um，宽度都WTaper为110um；第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的长度L2为760um、宽度W1为20um；第一凹槽的深度度h为40um、、周期长度p为40um、槽宽P-W2为20um，第二凹槽的周期长度、深度、槽宽均与第一凹槽相同；衬底宽度W4＝500um；金属接地板长度L3＝600um、宽度与衬底宽度相同。
按照上述内容将制作出本实施例的过渡结构，然后将其与与矩形波导进行对接，其对接方式如图4所示，波导为WR4.3标准矩形波导，尺寸为546um×1092um，从E面中心分开，分为上波导腔6和下波导腔7，便于打开放置本实施例的过渡结构，同时对波导壁电流和波导内场分布影响最小。下波导腔7中间一段突出，形成凸台结构8，并将本实施例的过渡结构整体放置在凸台8上，提供承载和接地作用。整体本实施例的过渡结构宽度比波导宽度略窄，确保能放下本实施例的过渡结构。电磁波从波导馈入，先通过输入端的偶极子天线1将波导能量耦合到本实施例的过渡结构上，并通过锥形过渡结构2和双侧人工表面等离子体激元SSPPs3/11传输线过渡实现矩形波导与人工表面等离子体激元SSPPs传输线4之间的宽带阻抗匹配和模式转换。输出端结构与输入端结构呈对称的背靠背结构，人工表面等离子体激元SSPPs传输线4的电磁能量经输出端的过渡结构传输至偶极子天线并耦合到矩形波导输出，由此可见，本结构具有实用性。
图5为本实施例过渡结构的全波电磁场仿真S参数结果图；如图5所示，选择合适的天线长度和锥形结构的长度可以得到宽带的过渡性能，本实施例中优化参数后选择天线长度为240um，锥形结构的长度为35um。图5说明在190-250GHz频率范围内，实现了高效地损耗宽带过渡。
由上述内容可知，本发明实施例在太赫兹频段实现过渡的方式采用了一种新的过渡结构，通过在衬底的正反两面分别制作电路结构，实现了二维制作。解决现有技术中在太赫兹频段下渐变的台阶接触过渡结构难以加工的技术问题。在衬底的反面，通过金属接地板实现偶极子天线接地，通过调整偶极子天线枝节尺寸可以调整耦合中心频率，使整个过渡结构工作在需要的频段范围内。然后用正反两面的锥形结构和SSPPs过渡传输线实现电磁波的动量匹配和模式转换，将偶极子天线耦合的电磁能量传播到SSPPs主传输线上。具有损耗低、频带宽、过渡效率高的优点，且装配一致性高、结构简单、体积小、加工方便，可在太赫兹等离子体系统封装领域进行SSPPs传输线和波导的能量转换时，广泛应用。

Claims (4)

1.一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，包括衬底，其特征在于：
所述衬底的正面设有第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线；第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有多个周期排列的第一凹槽，它的两端均依次连接第一锥形金属结构和第一单枝节偶极子天线；第一单枝节偶极子天线的枝节延伸方向与第一凹槽的开口方向相反；
所述衬底的反面设有金属接地板，金属接地板的两侧分别连接有第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线；第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的一侧设有至少2个第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽的开口方向相反；第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线远离金属接地板的一端依次连接有第二锥形金属结构和第二单枝节偶极子天线；第二单枝节偶极子天线的枝节延伸方向与第二凹槽的开口方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，其特征在于：所述第二人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影，与第一人工表面等离子体激元SSPPs传输线的主线在衬底上的正投影完全重合。
3.根据权利要求1所述的一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，其特征在于：所述第一凹槽和第二凹槽的周期长度P相等、深度h相等，凹槽的槽宽P-W2相等。
4.根据权利要求1所述的一种矩形波导-人工表面等离子体激元过渡结构，其特征在于：所述衬底为石英衬底。
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