一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，包括兩端對稱的同軸波導，同軸波導到人工表面等離子波導的過渡波導以及中間的人工表面等離子波導；其中，過渡波導包括內導體和外導體過渡，內導體過渡由深度遞增的周期性環型凹槽陣列實現，外導體過渡由開口逐漸變大的喇叭天線實現；人工表面等離子波導由恒定深度的周期性環型凹槽陣列組成。本發明具有開放的對稱結構、尺寸緊湊、寬頻帶、高傳輸效率、結構簡單，易與傳統微波傳輸線匹配使用等一系列優點。
【專利說明】一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種波導轉換器結構，尤其涉及一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器結構。
【背景技術】
[0002]表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons,簡稱SPPs)是在光和金屬表面的自由電子相互作用下所引起的一種電磁波模式。在這種相互作用中，自由電子在與其共振頻率相同的光波的照射下發生集體振蕩，它局限在金屬與介質界面附近，沿表面傳播。由于金屬的等離子頻率一般都在紫外波段，在微波段，電磁波難以滲透，金屬近似表現為理想導體(PEC)。在這些情況下，盡管金屬表面原則上是能夠傳播SPPs的，但它的場在介質內的約束很差。近年來，有人提出在金屬表面挖孔或刻槽的方法來增加電磁場在金屬內的滲透能力，從而可以在較低頻率對SPPs進行工程設計。這種等離子體頻率受表面幾何結構控制的表面等離子體被稱為人工表面等離子體(Spoof Surface Plasmon Polaritons,簡稱SSPPs)，它首先由Pendry等人在2004年提出，并應用于在較低頻率對SPPs進行工程設計。其基本思想是在金屬表面挖周期分布的孔洞，孔洞的尺寸和間隔都小于波長，以增強電磁波的滲透作用，從而通過等效媒質的手段降低了金屬表層的等離子頻率。2005年，Hibbins等人在微波段證實了 SSPPs現象，自此SSPPs引起了研究者的極大興趣。
[0003]一般來說，金屬在低頻段(微波段)近似為理想導體，故在其表面是不能傳播SPPs的，但有了周期分布的孔洞后，表面不僅可以傳播SPPs，還可以實現場的亞波長約束，而且周期性亞波長結構的等離子頻率可以通過改變亞波長結構的幾何尺寸來靈活改變。目前光滑的金屬線被認為是最好的太赫茲波導之一，它的導波基于正常的SPPs機理。這種導波具有低損耗和低色散的優點，但是約束較差。因此，2006年，Maier等人和王清月課題組都把SSPPs的概念推廣到了金屬線的幾何位形上，理論上證明了在理想導線上沿長度方向刻周期性分布的環型凹槽，可以傳輸SSPPs和實現場的亞波長約束。相比光滑金屬線，上述金屬線結構可以實現太赫茲波的高度約束。
[0004]一直以來，空間傳播波到SPPs的轉換被廣泛地研究，如通過棱鏡耦合或衍射光柵。但對于導波到SSPPs的轉換卻研究甚少。2013年，東南大學提出了一種在微波頻段實現導波到SSPPs的高效轉換的結構,它由傳統的共面波導(coplanar waveguide,簡稱CPW)和“牙齒型”等離子波導(超薄的周期性結構金屬條帶)構成，兩者之間設計了溝槽深度漸變的匹配過渡帶。匹配過渡部分實現了 CPW和等離子波導的波矢匹配和阻抗匹配，此結構在微波段實現了從導波到Spoof SPPs的高效率和寬頻段轉換，為等離子功能器件和電路在微波段的高度集成開創了應用前景。然而，考慮到“牙齒型”等離子波導中傳輸的電磁場形式，對于其他的傳統波導，如同軸波導，上述方案將不再適用。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中涉及的“牙齒型”等離子波導結構不能實現和同軸波導之間的高效轉化功能的缺陷，提供一種結構簡單對稱、尺寸緊湊、易于與傳統微波傳輸線配合使用、性能好的同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，以實現空間導波到SSPPs的高效和寬頻帶轉化。
[0006]為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]—種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，其特征在于:包括兩端對稱的同軸波導和同軸波導到人工表面等離子波導的過渡波導，以及中間的人工表面等離子波導；
[0008]其中，過渡波導包括內導體和外導體過渡，內導體過渡由深度遞增的周期性環型凹槽陣列實現，外導體過渡由開口逐漸張大的喇叭天線實現；人工表面等離子波導由恒定深度的周期性環型凹槽陣列組成。
[0009]本發明在深入研究空間導波到SSPPs的轉化機理的基礎上，借鑒共面波導到等離子波導轉化的思想，根據同軸波導(主模TEM波)中傳輸的空間導波的類型，選用刻蝕周期性環型凹槽的人工表面等離子波導與其構成雜交結構，最終實現同軸波導到人工表面等離子波導的高效轉化。
[0010]本發明可以根據同軸波導的類型和尺寸來調節過渡波導和人工表面等離子波導的結構尺寸，進而實現微波段或太赫茲波段空間導波到SSPPs的轉化，進一步豐富空間導波到SSPPs轉化的波導類型和方式，實現等離子超材料在微波傳輸線中更為廣泛的應用。
[0011]本發明具有如下有益效果:
[0012]1.本發明主要提出一種實現同軸波導到人工表面等離子波導的高效轉化結構，尤其是結合同軸波導中導波和人工表面等離子波導中SSPPs的傳輸形式設計出實現同軸波導到等離子波導的高效轉化的過渡結構，為實現導波到人工SPPs的轉化的應用解決了關鍵性的難題，從而拓展了導波到SSPPs高效轉化的適用類型和范圍，為其開拓了一種新的應用前景。
[0013]2.本發明具有雙側同軸波導接口面，支持對稱輸出結構設計，該雜交波導在結構上包含左右兩側對稱的同軸波導，中間呈恒定周期變化的刻蝕環型凹槽的人工表面等離子波導以及連接同軸波導和人工表面等離子波導的過渡結構。這種波導是基于共面波導到“牙齒型”等離子波導轉化結構的設計思想，提出了利用深度遞增的環型凹槽結構來實現同軸波導和人工表面等離子波導之間的波數匹配以及外導體采用喇叭天線漸變來實現同軸波導和人工表面等離子波導之間的阻抗匹配。這種立體結構能實現信號的對稱輸入和輸出方式以及在微波器件和集成電路結構的設計中具有更大的靈活性。
[0014]3.創新性強，技術前瞻性好:該同軸波導到人工表面等離子波導轉換器結構，在微波頻段實現了電磁波的強局域性和高效傳輸，創新性強，國內外未見此類轉換結構；其可以很好的與傳統微波傳輸線配合使用，并可應用于太赫茲波段，拓展了人工表面等離子體傳輸線的應用范圍，具有很好的技術前瞻性。
[0015]4.效率高、頻帶寬；本發明最終可以實現同軸波導到人工表面等離子波導的高效和寬頻帶轉化。在O?18GHz范圍內，S11和S21在較寬頻帶內效果理想。在0.9?1.2GHz和2.7?13.6GHz范圍內S11均在-15dB以下，在3.5?12.4范圍內S21均大于_2dB，在
3.5?5GHz和11.4?12.4GHz范圍內，S21在-1dB和_2dB范圍內變化，在6.3?9.7GHz范圍內S21幾乎都大于-0.55dB，在寬頻范圍內實現了導波到SSPPs的高效轉化。【專利附圖】
【附圖說明】:
[0016]圖1是實施例一的主視圖；
[0017]圖2(a)是實施例二的結構剖面主視圖；
[0018]圖2(b)是實施例二的同軸波導部分的左視圖；
[0019]圖2(c)是實施例二的過渡部分的內導體圖；
[0020]圖2(d)是實施例二的過渡部分的外導體圖；
[0021]圖2(e)是實施例二的的人工表面等離子波導圖；
[0022]圖3是實施例二過渡波導環型凹槽陣列的凹槽深度的變化對其色散特性的影響曲線圖；
[0023]圖4是實施例二的S參數效果圖。
具體實施方案:
[0024]下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述:
[0025]實施例一
[0026]如圖2(a)所示，轉換器由左右兩側對稱的同軸波導和同軸波導到人工表面等離子波導的過渡波導以及中間恒定周期的人工表面等離子波導組成。過渡波導包括內導體和外導體過渡，內導體過渡由深度遞增的周期性環型凹槽陣列實現，外導體過渡由開口逐漸張大的喇叭天線實現；人工表面等離子波導由恒定深度的周期性環型凹槽陣列組成。過渡波導和人工表面等離子波導的結構尺寸參數根據同軸波導的類型和尺寸來調節，與同軸波導參數(如波導類型、波導長度、波導橫截面尺寸等)相匹配。
[0027]實施例二
[0028]以如圖2(b)所示同軸波導為例，區域I為左右兩側對稱的同軸波導，單個總長I1=15毫米，波導內導體外徑2? = 7毫米,外導體內徑2R2 = 16毫米,壁厚t = I毫米。轉換器兩端的同軸波導均可以作為導波信號的輸入/輸出端，當其中一個同軸波導作為輸入端時，另一同軸波導則為輸出端。
[0029]左右兩側對稱的過渡波導分別與同側的同軸波導連接，起到將信號高效地轉化為SSPPs信號的作用。如圖2(c)、圖2(d)所示，過渡波導區域II包括內導體和外導體過渡。內導體過渡上環型凹槽陣列的漸變深度從Ii1 = 0.25毫米按步長Ah = 0.25毫米逐漸增大到h2 = 2.75毫米，環型凹槽陣列的其余部分保持漸變的最終深度h2，用來實現同軸波導和人工表面等離子波導之間的波數匹配，環型凹槽深度的變化對其色散特性的影響如圖3所示。外導體的喇叭天線漸變采用內徑從2R2 = 16毫米平滑遞增到2R3 = 37.16毫米，厚度為t= I毫米，用來實現同軸波導和人工表面等離子波導之間的阻抗匹配，過渡波導內相鄰兩個環型凹槽的水平周期間距d = 3毫米，單邊過渡波導的總長度為I2 = 60毫米。
[0030]中間恒定周期的人工表面等離子波導作為SSPPs信號傳輸的載體。如圖2(e)所示，中間部分區域III的人工表面等離子波導由凹槽寬度為a = I毫米，深度h2 = 2.75毫米，相鄰兩個凹槽的水平周期間距d = 3毫米的環型凹槽陣列組成，長度I3 = 150毫米。該實施例轉換器總長度為300毫米。
[0031]根據實施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖4所示的高效性能，在O~18GHz范圍內，S11和S21在較寬頻帶內效果理想。在0.9~1.2GHz和2.7~13.6GHz范圍內S11均在-15dB以下，在3.5?12.4范圍內S21均大于_2dB，在3.5?5GHz和11.4?12.4GHz范圍內，S21在-1dB和-2dB范圍內變化，在6.3?9.7GHz范圍內S21幾乎都大于-0.55dB。在寬頻范圍內實現了導波到SSPPs的高效轉化。
【權利要求】
1.一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，其特征在于:包括兩端對稱的同軸波導和同軸波導到人工表面等離子波導的過渡波導，以及中間的人工表面等離子波導； 其中，過渡波導包括內導體和外導體過渡，內導體過渡由深度遞增的周期性環型凹槽陣列實現，外導體過渡由開口逐漸變大的喇叭天線實現；人工表面等離子波導由恒定深度的周期性環型凹槽陣列組成。
2.根據權利要求1所述的一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，其特征在于:過渡波導中，內導體過渡的環型凹槽陣列漸變采用深度從Ii1按照恒定步長Ah遞增到h2，環型凹槽陣列的其余部分保持漸變的最終深度h2 ;環型凹槽陣列相鄰兩個凹槽的水平周期距離為d ;外導體過渡的喇叭天線漸變采用內徑從2R2平滑遞增到2R3，厚度為t保持不變，過渡波導單個總長度I2，參數h、Ah、h2、d、R2、R3、t、I2與同軸波導參數相匹配。
3.根據權利要求1或2所述的一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，其特征在于:人工表面等離子波導由相鄰兩個環型凹槽的水平周期距離為d，凹槽寬度為a，深度為h2的環型凹槽陣列組成，總長度為13，參數d、a、h2、I3與同軸波導參數相匹配。
4.根據權利要求1或2所述的一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，其特征在于:任意一端的同軸波導作為導波信號的輸入端，另一端的同軸波導則為輸出端。
5.根據權利要求3所述的一種同軸波導到人工表面等離子波導轉換器，其特征在于:任意一端的同軸波導作為導波信號的輸入端，另一端的同軸波導則為輸出端。
【文檔編號】H01P5/08GK103985944SQ201410207024
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】李茁, 劉亮亮, 陳晨, 顧長青, 許秉正, 寧蘋蘋, 陳星宇 申請人:南京航空航天大學