一种超宽带人工表面等离子激元弯曲波导

摘要

本发明公开一种超宽带人工表面等离子激元弯曲波导，主要由介质基板层和金属箔层构成。介质基板层和金属箔层均为直角弯板，金属箔层印制于介质基板的其中一侧表面上。金属箔层的表面蚀刻有波导结构，且波导结构的走向与金属箔层的中心线相一致。波导结构包括有表面等离子激元弯曲波导部分、2个转换部分和2个共面波导部分组成。第一共面波导部分经第一转换部分与表面等离子激元弯曲波导部分的一端相连，表面等离子激元弯曲波导部分的另一端经第二转转部分与第二共面波导部分相连。本发明不仅能够实现人工表面等离子激元的弯曲传输，而且能够有效降低介质损耗。

说明书

技术领域

本发明属于人工表面等离子激元技术领域，具体涉及一种超宽带人工表 面等离子激元弯曲波导。

背景技术

人工表面等离子激元是一种被约束在人工电磁结构表面进行传播的电磁 波模式，其本质上是一种表面电磁波；因为表面等离子激元不受衍射极限的 限制，所以可以用来构造小型化器件，在表面波技术、集成电路领域以及未 来的通信电路里有着重要的应用；目前，对于人工表面等离子激元的研究仅 仅处在对人工表面等离子激元的特性进行分析的阶段，而系统完整的人工表 面等离子激元波导，尤其是结合馈电装置有效的激励并实现人工表面等离子 激元弯曲传输的波导结构尚未见报道，这极大了限制了人工表面等离子体(如 必须将人工表面等离子激元进行弯曲传输的环境下)的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超宽带人工表面等离子激元弯曲 波导，其不仅能够实现人工表面等离子激元的弯曲传输，而且能够有效降低 介质损耗。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超宽带人工表面等离子激元弯曲波导，主要由介质基板层和金属箔 层构成。介质基板层和金属箔层均为直角弯板，金属箔层印制于介质基板的 其中一侧表面上。金属箔层的表面蚀刻有波导结构，且波导结构的走向与金 属箔层的中心线相一致。

上述波导结构包括有表面等离子激元弯曲波导部分、2个转换部分和2 个共面波导部分组成。第一共面波导部分经第一转换部分与表面等离子激元 弯曲波导部分的一端相连，表面等离子激元弯曲波导部分的另一端经第二转 转部分与第二共面波导部分相连。

每个共面波导部分均包括1条中心导带和位于中心导带两侧的2条不等 宽度的共面槽线。中心导带和2条共面槽线的走向均与金属箔层的中心线平 行，且三者均向转换部分延伸。

每个转换部分均包括空气桥、圆盘巴仑、阻抗变换槽线和渐变段。空气 桥为悬跨在2条共面槽线之上的金属导带，且空气桥的两端分别与第一共面 槽线和第二共面槽线两边的金属箔层相连接。圆盘巴仑与第一共面槽线相连。 阻抗变换槽线的走向与金属箔层的中心线平行，且阻抗变换槽线的槽线宽度 由共面波导部分向一侧表面等离子激元弯曲波导部分一侧逐渐增加。阻抗变 换槽线的一端与第二共面槽线相连接，另一端与渐变段的一端相连接。渐变 段为直向延伸的双边梳齿状金属光栅结构。渐变段的梳齿宽度相一致。渐变 段的梳齿长度即梳齿的凹槽深度，由共面波导部分向一侧表面等离子激元弯 曲波导部分一侧逐渐增加。渐变段的另一端与直波导段相连接。

表面等离子激元弯曲波导部分包括弯波导段和2个直波导段。2个直波 导段均为直向延伸的双边梳齿状金属光栅结构，弯波导段为弯曲成直角的双 边梳齿状金属光栅结构，2个直波导段分别连接在弯波导段的两端。直波导 段和弯波导段的梳齿宽度相一致，梳齿长度即两梳齿的凹槽深度均相同。

上述方案中，所述第一共面槽线的宽度大于第二共面槽线的宽度。

上述方案中，所述渐变段的两梳齿之间的距离即梳齿的凹槽周期相一致。

上述方案中，直波导段和弯波导段的两梳齿之间的距离即梳齿的凹槽周 期相一致。

上述方案中，渐变段、直波导段和弯波导段的每个梳齿的宽度均相同。

上述方案中，由共面波导部分一侧向表面等离子激元弯曲波导部分一侧， 阻抗变换槽线的槽线宽度呈阶梯式逐渐增加。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.通过对共面波导部分、转换部分和表面等离子激元弯曲波导部分的特 殊结构设计，使得本发明能够将电磁波紧紧地约束在结构表面进行传播，从 而降低了弯曲辐射损耗，在很宽的频带内都实现了较高效率的弯曲传输。

2.本发明的整个波导结构在介质基板的同一侧，使得本发明的介质基板 可以做到无限薄，并可以在柔性介质薄膜上印制本波导结构，甚至可以共形 到其他结构物体上，从而有效降低电磁波在传输过程中介质基板所带来的介 质损耗。

3.本发明实现了宽频带内非对称共面波导中的导波和人工表面等离子激 元的相互转换，并且具有结构简单、易于实现和加工，频带宽，整个通带内 都具有较高的传输效率。

4.适当地对本发明进行比例缩减，还可以使本发明工作于不同的频段， 如毫米波和太赫兹频段。

附图说明

图1为一种超宽带人工表面等离子激元弯曲波导的整体结构示意图；

图2为图1中转换部分和直波导段的放大示意图；

图3为图1中空气桥的立体放大示意图；

图4为图1中波导弯曲部分的放大示意图；

图5(a)和(b)分别为非对称共面波导中的偶模和奇模的电场分布图；

图6为本发明的实验数据图；

图中标号：1、介质基板层；2、金属箔层；3、波导结构；31、共面波导 部分；311、中心导带；312、共面槽线；32、转换部分；321、空气桥；322、 圆盘巴仑；323、阻抗变换槽线；324、渐变段；33、表面等离子激元弯曲波 导部分；331、弯波导段；332、直波导段。

具体实施方式

一种超宽带人工表面等离子激元弯曲波导，如图1所示，主要由介质基 板层和金属箔层2构成。介质基板层和金属箔层2均呈L形的直角弯板，金 属箔层2印制于介质基板的其中一侧表面上。金属箔层2的表面蚀刻有波导 结构3，且波导结构3的走向与金属箔层2的中心线相一致。所述介质基板 层和金属箔层2可以是电学领域常用的覆铜板。也可以将金属箔层2印制在 柔性的介质基板上。甚至可以将金属箔层2直接印制在其他结构物体上，即 与其他结构物体共用介质基板。

上述波导结构3包括有表面等离子激元弯曲波导部分33、2个转换部分 32和2个共面波导部分31组成。第一共面波导部分31经第一转换部分32 与表面等离子激元弯曲波导部分33的一端相连，表面等离子激元弯曲波导部 分33的另一端经第二转转部分与第二共面波导部分31相连。共面波导到表 面等离子激元的转换结构作为连接共面波导和人工表面等离子激元波导的结 构，设有两个，一个位于结构的始端完成将共面波导中的电磁波转换成人工 表面等离子激元耦合输入，另一个在结构的末端完成人工表面等离子激元转 换为共面波导中的电磁波耦合输出。

每个共面波导部分31均包括1条中心导带311和位于中心导带311两侧 的2条共面槽线312(第一共面槽线312和第二共面槽线312)。中心导带311、 第一共面槽线312和第二共面槽线312与金属箔层2的中心线平行，且三者 均向转换部分32延伸。第一共面槽线312和第二共面槽线312的槽线宽度不 同，且第一共面槽线312的宽度大于第二共面槽线312的宽度，即g1＞g2。 共面波导部分31的两个槽线宽度和两个地板的宽度都可以不相等，相比于传 统的对称共面波导多出了可调节的结构参数，使本波导结构3使用起来更加 灵活。由于非对称共面波导结构3的不对称，导致两侧的地电势不相等，会 引发槽线模式(奇模)的产生，如图5(b)所示，奇模是一种寄生的高阻抗 模式，不利于器件阻抗匹配的设计，需要抑制，所述的空气桥321连接两边 的地，保持两边地电势的一致，起到了抑制奇模的作用，使非对称共面波导 工作在图5(a)所示偶模状态下。

每个转换部分32均包括空气桥321、圆盘巴仑322、阻抗变换槽线323 和渐变段324，参见图2。

空气桥321悬跨在中心导带311和2条共面槽线312之上，且空气桥321 的两端分别与共面波导两边的地线即金属箔层2相连接，参见图3。空气桥 321由两边的地线的金属短路线组成，不与中心导带311接触，抑制了非对 称共面波导中的奇模。

圆盘巴仑322呈圆形孔状，其与第一共面槽线312相连。圆盘在非对称 共面波导到槽线的转换过程中平衡了非对称共面波导中的一个槽线，起到了 平衡巴伦的作用。

阻抗变换槽线323的走向与金属箔层2的中心线平行，且阻抗变换槽线 323的槽线宽度由共面波导部分31向一侧表面等离子激元弯曲波导部分33 一侧逐渐增加，即w1＞w2。由共面波导部分31一侧向表面等离子激元弯曲 波导部分33一侧，所述阻抗变换槽线323的槽线宽度可以呈渐变式或阶梯式 逐渐增加。在本实施例中，阻抗变换槽线323设有三段槽线宽度逐渐变化的 阻抗变换槽线323。阻抗变换槽线323的一端与第二共面槽线312相连接， 另一端与渐变段324的一端相连接。阶梯阻抗变换的槽线完成了非对称共面 波导中的槽线和双边金属光栅组成的槽线之间的阻抗变换，实现了宽频带内 的阻抗匹配减小了电磁波的反射。

渐变段324为直向延伸的双边梳齿状金属光栅结构。渐变段324的一端 与阻抗变换槽线323相接，另一端与直波导段332相连接。渐变段324的每 个梳齿的宽度a相一致。渐变段324的梳齿长度即梳齿的凹槽深度，由共面 波导部分31向一侧表面等离子激元弯曲波导部分33一侧逐渐增加，即h3＞ h2＞h1。渐变段324的梳齿之间的距离即梳齿的凹槽周期d相一致。所述的 渐变深度的凹槽区域即渐变段324，从离开共面波导向人工表面等离子激元 波导方向凹槽深度逐渐增加，槽宽、周期和双光栅的槽宽周期相同，完成了 波矢匹配。槽线中的电磁波是快波，而表面等离子激元是慢波，槽线中的电 磁波直接激励表面等离子激元的时候会因为波矢失配降低转换效率，渐变深 度的凹槽实现了波矢匹配，提高了转换装置的转换效率。

激元弯曲波导部分33包括弯波导段331和2个直波导段332。2个直波 导段332均为直向延伸的双边梳齿状金属光栅结构，弯波导段331为弯曲成 直角的双边梳齿状金属光栅结构，2个直波导段332分别连接在弯波导段331 的两端。弯波导段331和直波导段332的每个梳齿的宽度a相一致，且与渐 变段324的每个梳齿的宽度a相同。直波导段332和弯波导段331的梳齿长 度即梳齿的凹槽深度均相同，且梳齿之间的距离即梳齿的凹槽周期相一致。 弯曲波导工作于微波频段，优化选取相关结构的几何参数后可以实现在很宽 的频带内实现人工表面等离子激元的传输。所述表面等离子激元弯曲波导部 分33采用可有周期性凹槽的两片金属光栅相对放置形成双光栅结构，并将此 双光栅弯曲90°实现了人工表面等离子激元的弯曲传输。在本实施例中，弯 波导段331具有10个相同周期参数的凹槽，并且每个凹槽逐个旋转一定的角 度，最终达到90°的弯曲，进而实现了引导人工表面等离子激元的弯曲传输。

本发明可以通过调节波导几何结构的参数，使其工作在不同的频段，这 些参数包括周期性凹槽的深度、宽度和周期。阶梯槽线的宽度、长度以及阶 梯槽线的个数。非周期渐变深度凹槽的深度、个数。空气桥321的高度及宽 度。圆盘的半径。非对称共面波导的长度和两个槽各自的槽宽。

如图2、图3、图4所示参数，经优选数据，具体参数如下：r₁＝5mm，g₃＝1mm, g₁＝0.2mm,g₂＝0.6mm,b₁＝1.5mm,b₂＝2mm,t₁＝0.8mm,w₁＝1.5mm， w₂＝0.7mm,d＝5.5mm,a＝1mm,h₁＝0.4mm,h₂＝2.38mm,h₃＝4.7mm, h＝6.5mm,R₂＝31.5mm。

本波导结合对边双光栅来构成一个具体的功能器件，通过仿真与实物的 实验测试，如图6所示，验证了本发明的波导能够超宽带、高效率的传输人 工表面等离子激元。

本发明中金属在微波频段采用价格便宜的铜。

本发明中双边金属光栅中的凹槽深度h取不同的值时会对不同频带的电 磁波进行传输，这时候我们只需调节非周期性凹槽的个数、深度以及阶梯变 换的槽线的宽度、长度以及个数时仍然可以达到良好的转换效果。

总之，本发明在很宽的频带内可以实现共面波导中的电磁波有效的激励 人工表面等离子激元，并高效的弯曲传输人工表面等离子激元，带内具有良 好的传播特性和驻波比。产品容易加工，且价格便宜，在很大程度上能适应 工程需求。