CN207834545U - 一种基片集成人工表面等离激元波导 - Google Patents

Abstract

一种基片集成人工表面等离激元波导，涉及等离激元波导。设有基片集成波导和金属开槽，所述金属开槽设在基片集成波导，金属开槽为周期性金属开槽，所述金属开槽分布在基片集成波导的单面或呈对称、反对称、偏移对称等方式分布于基片集成波导的双面，用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元。具有带通特性，且具有较为陡峭的上升沿以及下降沿，可以通过改变开槽的有效长度和基片集成波导的宽度调节通带范围。通过尺度变换，放大、缩小单元及枝节结构尺寸，能够用于微波、毫米波或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的传输。

Description

一种基片集成人工表面等离激元波导

技术领域

本实用新型涉及等离激元波导，尤其是涉及一种基片集成人工表面等离激元波导。

背景技术

随着信息技术的发展，对通信系统的容量要求越来越高，同时由于在高频微波频段有着极为丰富的频谱资源，现代通信系统正在朝高频微波特别是毫米波频段发展。微带电路具有体积小，结构紧凑，重量轻，造价低等优点，广泛用于微波电路中。但是在较高频尤其是毫米波频段，微带电路的电磁波泄漏和辐射比较严重，电路的传输损耗大。而金属波导虽然在高频段具有低插损，低辐射，高品质因数等优点，但是其体积过大，加工困难，造价昂贵。2002年，吴柯等人在IEEE Microwave&Wireless Components Letters发表论文《Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form》提出了一种新的平面型波导——基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)的概念，其结构是由上下两层金属、中间填充的介质以及左右两排金属通孔构成，是介于微带与介质填充波导之间的一种传输线。SIW可实现高性能微波毫米波平面电路，两排金属过孔相当于矩形波导的金属壁，电磁波被束缚在上下金属面和两侧金属柱构成的封闭空间内。电磁波在其中传播的主模是TE10模，其场分布与矩形波导极为类似，基片集成波导相当于平面化了的矩形波导，相较而言灵活性及可集成性得到了极大的提高，与此同时，基片集成波导的平面特性使得它可以与微带线或带状线等平面传输线相互过渡转换，有益于设备的小型化与集成化。为了在微波与太赫兹等较低频段实现类似于表面等离激元在光波段或红外波段对场的强束缚性能，人们提出了人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)的概念。2013年Xiaopeng Shen，Tie Jun Cui等人在Applied Physics Letters的论文《Planar plasmonic metamaterial on a thin film with nearly zero thickness》研究了周期性开槽的极薄的金属薄膜传输线能够导引人工表面等离激元，实现了人工表面等离激元波导由立体结构向平面结构的转变。具有平面结构的人工表面等离激元波导，由于在微波与太赫兹集成电路与系统的小型化应用中具有重要应用，因此研究扁平化且高传输效率的人工表面等离激元波导具有十分重要的现实意义。

发明内容

本实用新型的目的在于为了在微波与太赫兹波段实现兼具传输特性优和束缚性能强的人工表面等离激元波导，提供一种基片集成人工表面等离激元波导。

本实用新型设有基片集成波导和金属开槽，所述金属开槽设在基片集成波导，金属开槽为周期性金属开槽，所述金属开槽分布在基片集成波导的单面或呈对称、反对称、偏移对称等方式分布于基片集成波导的双面，用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元。

所述金属开槽的形状可为矩形、折弯形、T形、L形、螺旋形等。结构本身具有带通特性，且具有较为陡峭的上升沿以及下降沿，可以通过改变开槽的有效长度和基片集成波导的宽度调节通带范围。

本实用新型通过尺度变换，放大、缩小单元及枝节结构尺寸，能够用于微波、毫米波或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的传输。

本实用新型的有益效果为：

1)本实用新型通过基片集成波导上周期性开槽传输表面等离激元，其色散曲线的渐近频率较低、对电磁场束缚性能较强，同时降低了在高频段的电磁波辐射现象。

2)本实用新型可以采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输微波与太赫兹人工表面等离激元电磁波。

3)本实用新型具有带通特性，且具有较为陡峭的上升沿以及下降沿，可以通过控制金属薄膜开槽的有效长度和基片集成波导的宽度来调节通带范围。

4)本实用新型的传输特性主要取决于金属开槽的有效长度和基片集成波导的宽度，人工设计方便、灵活，通过尺度变换，放大、缩小单元及枝节结构尺寸，能够用于微波、毫米波、或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的传输。

5)本实用新型属于扁平化结构，由于基片集成波导与微带线存在完美匹配，可用于设计各种微波毫米波甚至太赫兹滤波器、功分器、耦合器、天线、放大器、混频器等无源及有源电路、器件甚至组件或系统。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的色散曲线图。

图3是基于本实用新型实施例的带通滤波器结构示意图。

图4是基于本实用新型实施例的带通滤波器的S参数。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

为双面矩形开槽的基片集成人工表面等离激元波导，如图1所示，实施例1设有基片集成波导1和金属开槽2，所述金属开槽2设在基片集成波导1，金属开槽2为周期性金属开槽，所述金属开槽2分布在基片集成波导1的单面或呈对称、反对称、偏移对称等方式分布于基片集成波导1的双面，用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元，其介质基板的材料选取Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，传输损耗角为0.0009；金属薄膜传输线以及金属通孔的材料选取为铜。波导的单元结构尺寸选取为a＝12mm,d＝2.5mm,h从5mm增加到8mm，仿真分析得到色散曲线如图2所示，所有色散曲线均偏离光线，随着开槽高度h的增加，渐进频率减小。利用基片集成波导具有高通特性和人工表面等离激元波导具有低通特性，其下、上限截止频率分别由基片集成波导的宽度a和开槽高度h决定，可以通过调节a和h的大小设计出满足特定带宽要求的带通滤波器。

实施例2

为应用实施例1设计的带通滤波器，如图3所示。滤波器分为三部分，左右两端为微带传输线，中间则是带有双面矩形金属开槽的基片集成人工表面波导。该滤波器为对称结构，两端为馈电端，w₀＝1.6mm，保证了50Ω的端口阻抗。采用锥形渐变过渡结构将电磁波由微带线转换到基片集成波导，w_tra＝3.5mm，实现了和基片集成波导的阻抗匹配。为了实现波矢匹配，金属开槽高度呈梯度渐变增加的分布。其他主要参数如下：a＝12mm,d＝2.5mm,h＝8mm。由图4的仿真结果可见，该滤波器的带通范围为8.5GHz至12.3GHz，并且具有较为陡峭的上升沿以及下降沿。

本实用新型公开一种基片集成人工表面等离激元波导，所述人工表面等离激元波导是由基片集成波导以及其上的周期性金属开槽构成。所述金属开槽可分布在基片集成波导的单面或呈对称、反对称、偏移对称等方式分布于基片集成波导的双面，用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元。金属开槽形状为矩形，也可以采用折弯形，T形，L形，螺旋形等形状。本实用新型结构本身具有带通特性，可以通过改变开槽的有效长度和基片集成波导的宽度调节通带范围。本实用新型采用平面型结构，尺寸小、传输效率高，是一种极具潜力的新型人工表面等离激元波导，在微波毫米波及太赫兹电路、器件与系统中具有重要应用前景。

Claims (2)

1.一种基片集成人工表面等离激元波导，其特征在于设有基片集成波导和金属开槽，所述金属开槽设在基片集成波导，金属开槽为周期性金属开槽，所述金属开槽分布在基片集成波导的单面或呈对称、反对称、偏移对称方式分布于基片集成波导的双面，用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元。

2.如权利要求1所述一种基片集成人工表面等离激元波导，其特征在于所述金属开槽的形状采用矩形、折弯形、T形、L形、螺旋形。