一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導的製作方法

2023-05-13 18:51:11

一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，主要由介質基板層和金屬箔層構成。介質基板層和金屬箔層均為直角彎板，金屬箔層印製於介質基板的其中一側表面上。金屬箔層的表面蝕刻有波導結構，且波導結構的走向與金屬箔層的中心線相一致。波導結構包括有表面等離子激元彎曲波導部分、2個轉換部分和2個共面波導部分組成。第一共面波導部分經第一轉換部分與表面等離子激元彎曲波導部分的一端相連，表面等離子激元彎曲波導部分的另一端經第二轉轉部分與第二共面波導部分相連。本發明不僅能夠實現人工表面等離子激元的彎曲傳輸，而且能夠有效降低介質損耗。
【專利說明】一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導

【技術領域】
[0001]本發明屬於人工表面等離子激元【技術領域】，具體涉及一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導。

【背景技術】
[0002]人工表面等離子激元是一種被約束在人工電磁結構表面進行傳播的電磁波模式，其本質上是一種表面電磁波；因為表面等離子激元不受衍射極限的限制，所以可以用來構造小型化器件，在表面波技術、集成電路領域以及未來的通信電路裡有著重要的應用；目前，對於人工表面等離子激元的研究僅僅處在對人工表面等離子激元的特性進行分析的階段，而系統完整的人工表面等離子激元波導，尤其是結合饋電裝置有效的激勵並實現人工表面等離子激元彎曲傳輸的波導結構尚未見報導，這極大了限制了人工表面等離子體(如必須將人工表面等離子激元進行彎曲傳輸的環境下)的應用。


【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其不僅能夠實現人工表面等離子激元的彎曲傳輸，而且能夠有效降低介質損耗。
[0004]為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0005]一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，主要由介質基板層和金屬箔層構成。介質基板層和金屬箔層均為直角彎板，金屬箔層印製於介質基板的其中一側表面上。金屬箔層的表面蝕刻有波導結構，且波導結構的走向與金屬箔層的中心線相一致。
[0006]上述波導結構包括有表面等離子激元彎曲波導部分、2個轉換部分和2個共面波導部分組成。第一共面波導部分經第一轉換部分與表面等離子激元彎曲波導部分的一端相連，表面等離子激元彎曲波導部分的另一端經第二轉轉部分與第二共面波導部分相連。
[0007]每個共面波導部分均包括I條中心導帶和位於中心導帶兩側的2條不等寬度的共面槽線。中心導帶和2條共面槽線的走向均與金屬箔層的中心線平行，且三者均向轉換部分延伸。
[0008]每個轉換部分均包括空氣橋、圓盤巴侖、阻抗變換槽線和漸變段。空氣橋為懸跨在2條共面槽線之上的金屬導帶，且空氣橋的兩端分別與第一共面槽線和第二共面槽線兩邊的金屬箔層相連接。圓盤巴侖與第一共面槽線相連。阻抗變換槽線的走向與金屬箔層的中心線平行，且阻抗變換槽線的槽線寬度由共面波導部分向一側表面等離子激元彎曲波導部分一側逐漸增加。阻抗變換槽線的一端與第二共面槽線相連接，另一端與漸變段的一端相連接。漸變段為直向延伸的雙邊梳齒狀金屬光柵結構。漸變段的梳齒寬度相一致。漸變段的梳齒長度即梳齒的凹槽深度，由共面波導部分向一側表面等離子激元彎曲波導部分一側逐漸增加。漸變段的另一端與直波導段相連接。
[0009]表面等離子激元彎曲波導部分包括彎波導段和2個直波導段。2個直波導段均為直向延伸的雙邊梳齒狀金屬光柵結構，彎波導段為彎曲成直角的雙邊梳齒狀金屬光柵結構，2個直波導段分別連接在彎波導段的兩端。直波導段和彎波導段的梳齒寬度相一致，梳齒長度即兩梳齒的凹槽深度均相同。
[0010]上述方案中，所述第一共面槽線的寬度大於第二共面槽線的寬度。
[0011]上述方案中，所述漸變段的兩梳齒之間的距離即梳齒的凹槽周期相一致。
[0012]上述方案中，直波導段和彎波導段的兩梳齒之間的距離即梳齒的凹槽周期相一致。
[0013]上述方案中，漸變段、直波導段和彎波導段的每個梳齒的寬度均相同。
[0014]上述方案中，由共面波導部分一側向表面等離子激元彎曲波導部分一側，阻抗變換槽線的槽線寬度呈階梯式逐漸增加。
[0015]與現有技術相比，本發明具有如下特點:
[0016]1.通過對共面波導部分、轉換部分和表面等離子激元彎曲波導部分的特殊結構設計，使得本發明能夠將電磁波緊緊地約束在結構表面進行傳播，從而降低了彎曲輻射損耗，在很寬的頻帶內都實現了較高效率的彎曲傳輸。
[0017]2.本發明的整個波導結構在介質基板的同一側，使得本發明的介質基板可以做到無限薄，並可以在柔性介質薄膜上印製本波導結構，甚至可以共形到其他結構物體上，從而有效降低電磁波在傳輸過程中介質基板所帶來的介質損耗。
[0018]3.本發明實現了寬頻帶內非對稱共面波導中的導波和人工表面等離子激元的相互轉換，並且具有結構簡單、易於實現和加工，頻帶寬，整個通帶內都具有較高的傳輸效率。
[0019]4.適當地對本發明進行比例縮減，還可以使本發明工作於不同的頻段，如毫米波和太赫茲頻段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導的整體結構示意圖；
[0021]圖2為圖1中轉換部分和直波導段的放大示意圖；
[0022]圖3為圖1中空氣橋的立體放大示意圖；
[0023]圖4為圖1中波導彎曲部分的放大示意圖；
[0024]圖5(a)和(b)分別為非對稱共面波導中的偶模和奇模的電場分布圖；
[0025]圖6為本發明的實驗數據圖；
[0026]圖中標號:1、介質基板層；2、金屬箔層；3、波導結構；31、共面波導部分；311、中心導帶；312、共面槽線；32、轉換部分；321、空氣橋；322、圓盤巴侖；323、阻抗變換槽線；324、漸變段；33、表面等離子激元彎曲波導部分；331、彎波導段；332、直波導段。

【具體實施方式】
[0027]—種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，如圖1所示，主要由介質基板層和金屬箔層2構成。介質基板層和金屬箔層2均呈L形的直角彎板，金屬箔層2印製於介質基板的其中一側表面上。金屬箔層2的表面蝕刻有波導結構3,且波導結構3的走向與金屬箔層2的中心線相一致。所述介質基板層和金屬箔層2可以是電學領域常用的覆銅板。也可以將金屬箔層2印製在柔性的介質基板上。甚至可以將金屬箔層2直接印製在其他結構物體上，即與其他結構物體共用介質基板。
[0028]上述波導結構3包括有表面等離子激元彎曲波導部分33、2個轉換部分32和2個共面波導部分31組成。第一共面波導部分31經第一轉換部分32與表面等離子激元彎曲波導部分33的一端相連，表面等離子激元彎曲波導部分33的另一端經第二轉轉部分與第二共面波導部分31相連。共面波導到表面等離子激元的轉換結構作為連接共面波導和人工表面等離子激元波導的結構，設有兩個，一個位於結構的始端完成將共面波導中的電磁波轉換成人工表面等離子激元耦合輸入，另一個在結構的末端完成人工表面等離子激元轉換為共面波導中的電磁波耦合輸出。
[0029]每個共面波導部分31均包括I條中心導帶311和位於中心導帶311兩側的2條共面槽線312(第一共面槽線312和第二共面槽線312)。中心導帶311、第一共面槽線312和第二共面槽線312與金屬箔層2的中心線平行，且三者均向轉換部分32延伸。第一共面槽線312和第二共面槽線312的槽線寬度不同，且第一共面槽線312的寬度大於第二共面槽線312的寬度，即gl > g2。共面波導部分31的兩個槽線寬度和兩個地板的寬度都可以不相等，相比於傳統的對稱共面波導多出了可調節的結構參數，使本波導結構3使用起來更加靈活。由於非對稱共面波導結構3的不對稱，導致兩側的地電勢不相等，會引發槽線模式(奇模)的產生，如圖5(b)所示，奇模是一種寄生的高阻抗模式，不利於器件阻抗匹配的設計，需要抑制，所述的空氣橋321連接兩邊的地，保持兩邊地電勢的一致，起到了抑制奇模的作用，使非對稱共面波導工作在圖5(a)所示偶模狀態下。
[0030]每個轉換部分32均包括空氣橋321、圓盤巴侖322、阻抗變換槽線323和漸變段324，參見圖2。
[0031]空氣橋321懸跨在中心導帶311和2條共面槽線312之上，且空氣橋321的兩端分別與共面波導兩邊的地線即金屬箔層2相連接，參見圖3。空氣橋321由兩邊的地線的金屬短路線組成，不與中心導帶311接觸，抑制了非對稱共面波導中的奇模。
[0032]圓盤巴侖322呈圓形孔狀，其與第一共面槽線312相連。圓盤在非對稱共面波導到槽線的轉換過程中平衡了非對稱共面波導中的一個槽線，起到了平衡巴倫的作用。
[0033]阻抗變換槽線323的走向與金屬箔層2的中心線平行，且阻抗變換槽線323的槽線寬度由共面波導部分31向一側表面等離子激元彎曲波導部分33—側逐漸增加，即wl >w2。由共面波導部分31 —側向表面等離子激元彎曲波導部分33 —側，所述阻抗變換槽線323的槽線寬度可以呈漸變式或階梯式逐漸增加。在本實施例中，阻抗變換槽線323設有三段槽線寬度逐漸變化的阻抗變換槽線323。阻抗變換槽線323的一端與第二共面槽線312相連接，另一端與漸變段324的一端相連接。階梯阻抗變換的槽線完成了非對稱共面波導中的槽線和雙邊金屬光柵組成的槽線之間的阻抗變換，實現了寬頻帶內的阻抗匹配減小了電磁波的反射。
[0034]漸變段324為直向延伸的雙邊梳齒狀金屬光柵結構。漸變段324的一端與阻抗變換槽線323相接，另一端與直波導段332相連接。漸變段324的每個梳齒的寬度a相一致。漸變段324的梳齒長度即梳齒的凹槽深度，由共面波導部分31向一側表面等離子激元彎曲波導部分33 —側逐漸增加，即h3 > h2 > hi。漸變段324的梳齒之間的距離即梳齒的凹槽周期d相一致。所述的漸變深度的凹槽區域即漸變段324，從離開共面波導向人工表面等離子激元波導方向凹槽深度逐漸增加，槽寬、周期和雙光柵的槽寬周期相同，完成了波矢匹配。槽線中的電磁波是快波，而表面等離子激元是慢波，槽線中的電磁波直接激勵表面等離子激元的時候會因為波矢失配降低轉換效率，漸變深度的凹槽實現了波矢匹配，提高了轉換裝置的轉換效率。
[0035]激元彎曲波導部分33包括彎波導段331和2個直波導段332。2個直波導段332均為直向延伸的雙邊梳齒狀金屬光柵結構，彎波導段331為彎曲成直角的雙邊梳齒狀金屬光柵結構，2個直波導段332分別連接在彎波導段331的兩端。彎波導段331和直波導段332的每個梳齒的寬度a相一致，且與漸變段324的每個梳齒的寬度a相同。直波導段332和彎波導段331的梳齒長度即梳齒的凹槽深度均相同，且梳齒之間的距離即梳齒的凹槽周期相一致。彎曲波導工作於微波頻段，優化選取相關結構的幾何參數後可以實現在很寬的頻帶內實現人工表面等離子激元的傳輸。所述表面等離子激元彎曲波導部分33採用可有周期性凹槽的兩片金屬光柵相對放置形成雙光柵結構，並將此雙光柵彎曲90°實現了人工表面等離子激元的彎曲傳輸。在本實施例中，彎波導段331具有10個相同周期參數的凹槽，並且每個凹槽逐個旋轉一定的角度，最終達到90°的彎曲，進而實現了引導人工表面等離子激兀的彎曲傳輸。
[0036]本發明可以通過調節波導幾何結構的參數，使其工作在不同的頻段，這些參數包括周期性凹槽的深度、寬度和周期。階梯槽線的寬度、長度以及階梯槽線的個數。非周期漸變深度凹槽的深度、個數。空氣橋321的高度及寬度。圓盤的半徑。非對稱共面波導的長度和兩個槽各自的槽寬。
[0037]如圖2、圖3、圖4所示參數,經優選數據,具體參數如下= 5mm, g3 = Imn^g1 =0.2mm, g2 = 0.6mm, bx = 1.5mm, b2 = 2mm, = 0.8mm, W1 = 1.5mm, w2 = 0.7mm, d = 5.5mm, a=1mm，Ii1 = 0.4mm, h2 = 2.38mm, h3 = 4.7mm, h = 6.5mm, R2 = 31.5mm。
[0038]本波導結合對邊雙光柵來構成一個具體的功能器件，通過仿真與實物的實驗測試，如圖6所示，驗證了本發明的波導能夠超寬帶、高效率的傳輸人工表面等離子激元。
[0039]本發明中金屬在微波頻段採用價格便宜的銅。
[0040]本發明中雙邊金屬光柵中的凹槽深度h取不同的值時會對不同頻帶的電磁波進行傳輸，這時候我們只需調節非周期性凹槽的個數、深度以及階梯變換的槽線的寬度、長度以及個數時仍然可以達到良好的轉換效果。
[0041 ] 總之，本發明在很寬的頻帶內可以實現共面波導中的電磁波有效的激勵人工表面等離子激元，並高效的彎曲傳輸人工表面等離子激元，帶內具有良好的傳播特性和駐波比。產品容易加工，且價格便宜，在很大程度上能適應工程需求。
【權利要求】
1.一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其特徵在於:主要由介質基板層和金屬箔層(2)構成；介質基板層和金屬箔層(2)均為直角彎板，金屬箔層(2)印製於介質基板的其中一側表面上；金屬箔層⑵的表面蝕刻有波導結構(3),且波導結構⑶的走向與金屬箔層(2)的中心線相一致； 上述波導結構(3)包括有表面等離子激元彎曲波導部分(33)、2個轉換部分(32)和2個共面波導部分(31)組成；第一共面波導部分(31)經第一轉換部分(32)與表面等離子激元彎曲波導部分(33)的一端相連，表面等離子激元彎曲波導部分(33)的另一端經第二轉轉部分與第二共面波導部分(31)相連； 每個共面波導部分(31)均包括I條中心導帶(311)和位於中心導帶(311)兩側的2條不等寬度的共面槽線(312);中心導帶(311)和2條共面槽線(312)的走向均與金屬箔層(2)的中心線平行，且三者均向轉換部分(32)延伸； 每個轉換部分(32)均包括空氣橋(321)、圓盤巴侖(322)、阻抗變換槽線(323)和漸變段(324);空氣橋(321)為懸跨在2條共面槽線(312)之上的金屬導帶，且空氣橋(321)的兩端分別與第一共面槽線(312)和第二共面槽線(312)兩邊的金屬箔層(2)相連接；圓盤巴侖(322)與第一共面槽線(312)相連；阻抗變換槽線(323)的走向與金屬箔層(2)的中心線平行，且阻抗變換槽線(323)的槽線寬度由共面波導部分(31)向一側表面等離子激元彎曲波導部分(33) —側逐漸增加；阻抗變換槽線(323)的一端與第二共面槽線(312)相連接，另一端與漸變段(324)的一端相連接；漸變段(324)為直向延伸的雙邊梳齒狀金屬光柵結構；漸變段(324)的梳齒寬度相一致；漸變段(324)的梳齒長度即梳齒的凹槽深度，由共面波導部分(31)向一側表面等離子激元彎曲波導部分(33) —側逐漸增加；漸變段(324)的另一端與直波導段(332)相連接； 表面等離子激元彎曲波導部分(33)包括彎波導段(331)和2個直波導段(332) ;2個直波導段(332)均為直向延伸的雙邊梳齒狀金屬光柵結構，彎波導段(331)為彎曲成直角的雙邊梳齒狀金屬光柵結構，2個直波導段(332)分別連接在彎波導段(331)的兩端；直波導段(332)和彎波導段(331)的梳齒寬度相一致，梳齒長度即兩梳齒的凹槽深度均相同。
2.根據權利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其特徵在於:第一共面槽線(312)的寬度大於第二共面槽線(312)的寬度。
3.根據權利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其特徵在於:漸變段(324)的兩梳齒之間的距離即梳齒的凹槽周期相一致。
4.根據權利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其特徵在於:直波導段(332)和彎波導段(331)的兩梳齒之間的距離即梳齒的凹槽周期相一致。
5.根據權利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其特徵在於:漸變段(324)、直波導段(332)和彎波導段(331)的每個梳齒的寬度均相同。
6.根據權利要求1所述的一種超寬帶人工表面等離子激元彎曲波導，其特徵在於:由共面波導部分(31) —側向表面等離子激元彎曲波導部分(33) —側，阻抗變換槽線(323)的槽線寬度呈階梯式逐漸增加。
【文檔編號】H01P3/123GK104362419SQ201410710470
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】高喜, 周亮, 曹衛平, 韓栩 申請人:桂林電子科技大學