一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，包括兩端對(duì)稱的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)以及中間的多米諾等離子波導(dǎo)；其中，過(guò)渡波導(dǎo)包括含橫向、縱向漸變的多米諾陣列，多米諾陣列的橫向漸變由寬度遞減的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)，縱向漸變由高度遞增的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)；過(guò)渡波導(dǎo)的上壁按曲線漸變；多米諾等離子波導(dǎo)由恒定周期的多米諾陣列組成。本發(fā)明具有開放的對(duì)稱結(jié)構(gòu)、尺寸緊湊、寬頻帶、高傳輸效率、易于在大規(guī)模平面或集成電路中使用等一系列優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons,簡(jiǎn)稱SPPs)是金屬表面自由電子和入射光子相互稱合形成的一種非福射電磁模式，它是局域在金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波。金屬表面自由電子在入射光場(chǎng)的激勵(lì)下集體相干振蕩，入射光的電磁場(chǎng)和表面電荷的共振相互作用產(chǎn)生了 SPP并賦予它獨(dú)特的性質(zhì)。SPPs可以將光學(xué)控制的維度從三維降為二維，實(shí)現(xiàn)納米尺度超衍射極限光傳輸?shù)挠行д{(diào)控，同時(shí)可在納米尺度上實(shí)現(xiàn)電磁能量的局域匯聚放大。自1998年T.W.Ebbesen研究了二維周期性金屬圓孔結(jié)構(gòu)的透過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)象以來(lái)，SPPs的物理機(jī)理及應(yīng)用研究不斷取得突破。隨著對(duì)其新現(xiàn)象、新機(jī)理的研究日益深入和高精度納米加工技術(shù)的不斷進(jìn)步,逐漸形成了表面等離子體激元光學(xué)(Plasmonics)這一新興學(xué)科。
[0003]為了在低頻段(微波或太赫茲波段)實(shí)現(xiàn)光波段的SPPs現(xiàn)象并利用其優(yōu)越性能實(shí)現(xiàn)低頻段的等離子超材料器件，2004年，Pendry等人首次提出一種金屬人工表面和人工表面等離子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,簡(jiǎn)稱SSPPs)的全新概念。在微波或太赫茲波段，金屬被假設(shè)成理想導(dǎo)體，光滑的金屬表面是完全不能傳輸SPPs的，然而，在金屬表面刻蝕周期性分布的孔洞后(孔洞的尺寸和深度均處于亞波長(zhǎng)狀態(tài))，其表面不僅可以傳播類似光波段SPPs現(xiàn)象，還可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的亞波長(zhǎng)約束，增強(qiáng)電磁波的滲透作用，從而等效地降低了金屬表層的等離子頻率，并且周期性結(jié)構(gòu)表層的等效等離子頻率可以通過(guò)改變周期性結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來(lái)任意調(diào)控，首次解決了低頻段SPPs無(wú)法產(chǎn)生的關(guān)鍵性難題。2005年，Hibbins等人在微波段用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 SSPPs現(xiàn)象，為人工表面等離子激元技術(shù)在低頻段的廣泛應(yīng)用提供了可能，也激發(fā)了全世界學(xué)者對(duì)SSPPs的重要應(yīng)用前景的高度關(guān)注和廣泛研究。
[0004]一直以來(lái)，空間傳播波到SPPs的轉(zhuǎn)換被廣泛地研究，如通過(guò)棱鏡耦合或衍射光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于導(dǎo)波到SSPPs的轉(zhuǎn)換卻研究甚少。為了能夠在微型集成電路中實(shí)現(xiàn)信號(hào)在等離子超材料器件中的高效傳輸，東南大學(xué)崔鐵軍教授課題組提出了一種在微波頻段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波到SSPPs的高效轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，由傳統(tǒng)的非接地共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide,簡(jiǎn)稱CPW)和“牙齒型”等離子波導(dǎo)(超薄的周期性結(jié)構(gòu)金屬條帶)雜交而成，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)高效的輸入和輸出，在兩者之間設(shè)計(jì)了一段匹配過(guò)渡帶，該匹配過(guò)渡部分實(shí)現(xiàn)了 CPW和等離子波導(dǎo)之間的波矢匹配和阻抗匹配，從而在微波段實(shí)現(xiàn)了從導(dǎo)波到SSPPs的高效率和寬頻段轉(zhuǎn)換，為等離子功能器件在微波段電路中的高度集成開創(chuàng)了廣闊的應(yīng)用前景。然而，考慮到“牙齒型”等離子波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)形式，對(duì)于其他的傳統(tǒng)波導(dǎo)，如矩形波導(dǎo)，上述方案將不再適用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】中涉及的“牙齒型”等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)和矩形波導(dǎo)之間的高效轉(zhuǎn)化功能的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱、尺寸緊湊、易于在大規(guī)模平面或集成電路中集成、性能好的矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)空間導(dǎo)波到SSPPs的高效和寬頻帶轉(zhuǎn)化。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:包括兩端對(duì)稱的矩形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)，以及中間的多米諾等離子波導(dǎo)；
[0008]其中，過(guò)渡波導(dǎo)包括含橫向、縱向漸變的多米諾陣列，多米諾陣列的橫向漸變由寬度遞減的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)，縱向漸變由高度遞增的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)；過(guò)渡波導(dǎo)的上壁按曲線漸變；多米諾等離子波導(dǎo)由恒定周期的多米諾陣列組成。
[0009]本發(fā)明在深入研究空間導(dǎo)波到SSPPs的轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，借鑒共面波導(dǎo)到等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)化的思想，根據(jù)矩形波導(dǎo)(主模TElO波)中傳輸?shù)目臻g導(dǎo)波的類型，選用“多米諾型”等離子波導(dǎo)與其構(gòu)成雜交結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)到“多米諾型”等離子波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)化。
[0010]本發(fā)明可以根據(jù)矩形波導(dǎo)的類型和尺寸來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)渡波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微波段或太赫茲波段空間導(dǎo)波到SSPPs的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步豐富空間導(dǎo)波到SSPPs轉(zhuǎn)化的波導(dǎo)類型和方式，實(shí)現(xiàn)等離子超材料在高端平面或集成電路中更為廣泛的應(yīng)用。
[0011]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0012]1.本發(fā)明主要提出一種實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)合矩形波導(dǎo)中導(dǎo)波和多米諾等離子波導(dǎo)中SSPPs的傳輸形式設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)到等離子波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)化的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波到多米諾SPPs的轉(zhuǎn)化的應(yīng)用解決了關(guān)鍵性的難題，從而拓展了導(dǎo)波到SSPPs高效轉(zhuǎn)化的適用類型和范圍，為其開拓了一種新的應(yīng)用前景
[0013]2.本發(fā)明具有雙側(cè)矩形波導(dǎo)接口面，支持對(duì)稱輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該雜交波導(dǎo)在結(jié)構(gòu)上包含左右兩側(cè)對(duì)稱的矩形波導(dǎo)以及連接矩形波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，中間呈恒定周期變化的多米諾等離子波導(dǎo)。這種波導(dǎo)是基于共面波導(dǎo)到“牙齒型”等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，提出了利用高度遞增的多米諾結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配以及矩形波導(dǎo)上壁呈曲線漸變形式來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)之間的阻抗匹配。這種立體結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的對(duì)稱輸入和輸出方式以及在微波器件和集成電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中具有更大的靈活性。
[0014]3.尺寸小，易于集成；以X波段矩形波導(dǎo)單個(gè)總長(zhǎng)I1 = 20毫米為例，轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)380毫米，且中間多米諾結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性陣列形式，所以可以作為平面電路的一部分被集成到大規(guī)模集成電路中去，避免了很多設(shè)計(jì)上的麻煩。
[0015]4.效率高、頻帶寬；以X波段矩形波導(dǎo)為例，在8?12.5GHz范圍內(nèi)S11均在_15dB以下，在8.2?9GHz范圍內(nèi)S21從-2dB逐漸增大到_ldB，在9.5?11.5dB范圍內(nèi)S21均大于-0.55dB,在11.7?12.4GHz范圍內(nèi)，S21在-1dB和_2dB范圍內(nèi)變化。在X波段(8.2?12.4GHz)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波到SSPPs的高效轉(zhuǎn)化。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是實(shí)施例一的側(cè)面俯視圖；
[0017]圖2(a)是實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)剖面?zhèn)纫晥D；
[0018]圖2 (b)是實(shí)施例二的X波段矩形波導(dǎo)部分；
[0019]圖2(c)是實(shí)施例二的過(guò)渡波導(dǎo)的橫向漸變圖；
[0020]圖2(d)是實(shí)施例二的過(guò)渡波導(dǎo)的縱向漸變圖；
[0021]圖2(e)是 實(shí)施例二的多米諾等離子波導(dǎo)圖；
[0022]圖3是實(shí)施例二過(guò)渡波導(dǎo)多米諾陣列的橫向?qū)挾鹊淖兓瘜?duì)其色散特性的影響曲線圖；
[0023]圖4是實(shí)施例二過(guò)渡波導(dǎo)多米諾陣列的縱向高度的變化對(duì)其色散特性的影響曲線圖；
[0024]圖5是實(shí)施例二的S參數(shù)效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0026]實(shí)施例一
[0027]以X波段矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器為例，如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)換器由左右兩側(cè)對(duì)稱的X波段矩形波導(dǎo)和X波段矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)以及中間恒定周期的多米諾等離子波導(dǎo)組成。過(guò)渡波導(dǎo)包括含橫向、縱向漸變的多米諾陣列，多米諾陣列的橫向漸變由寬度遞減的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)，縱向漸變由高度遞增的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)；過(guò)渡波導(dǎo)的上壁按曲線漸變；多米諾等離子波導(dǎo)由恒定周期的多米諾陣列組成。過(guò)渡波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)根據(jù)矩形波導(dǎo)的類型和尺寸來(lái)調(diào)節(jié)，與矩形波導(dǎo)參數(shù)(如波導(dǎo)類型、波導(dǎo)長(zhǎng)度、波導(dǎo)橫截面尺寸等)相匹配。
[0028]實(shí)施例二
[0029]以如圖2 (b)所示X波段矩形波導(dǎo)為例，區(qū)域I為左右兩側(cè)對(duì)稱的X波段矩形波導(dǎo)。單個(gè)總長(zhǎng)I1 = 20暈米,波導(dǎo)外壁長(zhǎng)A = 25.4暈米，寬B = 12.7暈米，內(nèi)壁長(zhǎng)aQ = 22.86毫米，寬k= 10.16毫米。轉(zhuǎn)換器兩端的矩形波導(dǎo)均可以作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入/輸出端，當(dāng)其中一個(gè)矩形波導(dǎo)作為輸入端時(shí)，另一矩形波導(dǎo)則為輸出端。
[0030]左右兩側(cè)對(duì)稱的過(guò)渡波導(dǎo)分別與同側(cè)的X波段矩形波導(dǎo)連接，起到將導(dǎo)波信號(hào)高效地轉(zhuǎn)化為SSPPs信號(hào)的作用。如圖2(c)、圖2(d)所示，過(guò)渡波導(dǎo)區(qū)域II包括含橫向和縱向漸變的多米諾陣列結(jié)構(gòu)，其上壁按曲線漸變。過(guò)渡波導(dǎo)中多米諾陣列的橫向漸變多米諾方柱寬度從L1 = 22.86毫米按步長(zhǎng)AL=I毫米逐漸減少到寬度L2 = 4.86毫米，用來(lái)聚集矩形波導(dǎo)的導(dǎo)波場(chǎng)。由圖3可見，多米諾結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾鹊淖兓瘜?duì)其色散特性幾乎沒有影響。多米諾結(jié)構(gòu)縱向高度的變化對(duì)其色散特性的影響如圖4所示，據(jù)此設(shè)計(jì)縱向漸變多米諾方柱從高度Ii1 = 0.25毫米按步長(zhǎng)Ah = 0.25毫米逐漸增大到h2 = 5毫米,用來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配。多米諾陣列的其余部分保持橫向漸變的最終
長(zhǎng)度L2和縱向漸變的最終高度h2。過(guò)渡波導(dǎo)上壁按照公式y(tǒng) = eS2^ + -U，α = 0.1實(shí)現(xiàn)漸變,P1: (X1, Y1)和p2: (x2, J2)分別為曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和多米諾等離子波導(dǎo)之間的阻抗匹配，其他三個(gè)壁和X波段矩形波導(dǎo)一致，過(guò)渡波導(dǎo)內(nèi)相鄰兩個(gè)多米諾方柱的水平周期間距d = 2.5毫米，單邊過(guò)渡波導(dǎo)的總長(zhǎng)度為I2 = 75毫米。
[0031]中間恒定周期的多米諾等離子波導(dǎo)作為SSPPs信號(hào)傳輸?shù)妮d體。如圖2(e)所示，中間部分區(qū)域III的多米諾等離子波導(dǎo)由寬度1.5毫米，高度h2 = 5毫米，橫向長(zhǎng)度L2 =
4.86毫米，水平周期間距d = 2.5毫米，相鄰兩個(gè)多米諾縫隙間隔a = I毫米的多米諾陣列組成，長(zhǎng)度I3 = 190毫米。該實(shí)施例轉(zhuǎn)換器總長(zhǎng)度為380毫米。
[0032]根據(jù)實(shí)施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖5所示的高效性能，在8?12.4GHz范圍內(nèi)S11均在-15dB以下，在8.2?9GHz范圍內(nèi)S21從_2dB逐漸增大到-1dB,在9.5?11.5dB范圍內(nèi)S21均大于-0.55dB，在11.7?12.4GHz范圍內(nèi)，S21在-1dB和_2dB范圍內(nèi)變化。在X波段(8.2?12.4GHz)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波到SSPPs的高效轉(zhuǎn)化性能。
【權(quán)利要求】
1.一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:包括兩端對(duì)稱的矩形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)，以及中間的多米諾等離子波導(dǎo)； 其中，過(guò)渡波導(dǎo)包括含橫向、縱向漸變的多米諾陣列，多米諾陣列的橫向漸變由寬度遞減的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)，縱向漸變由高度遞增的周期性多米諾方柱實(shí)現(xiàn)；過(guò)渡波導(dǎo)的上壁按曲線漸變；多米諾等離子波導(dǎo)由恒定周期的多米諾陣列組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:過(guò)渡波導(dǎo)中，多米諾陣列的橫向漸變采用長(zhǎng)度從L1按照恒定步長(zhǎng)AL遞減到L2 ;縱向漸變采用高度從h按照恒定步長(zhǎng)Ah遞增到h2，多米諾陣列的其余部分保持橫向漸變的最終長(zhǎng)度L2和縱向漸變的最終高度匕；多米諾陣列相鄰兩個(gè)多米諾方柱的水平周期距離為d ;過(guò)渡波導(dǎo)的上壁按照公式7 = If += 0.1實(shí)現(xiàn)漸變，其他三個(gè)壁和矩形波
導(dǎo)保持一致，其中，(X1, Y1)和(X2，y2)分別為曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，過(guò)渡波導(dǎo)單個(gè)總長(zhǎng)度為12，參數(shù)LpAh、h2、12、d與矩形波導(dǎo)參數(shù)相匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:多米諾等離子波導(dǎo)由相鄰兩個(gè)多米諾方柱的水平周期距離為山縫隙間隔為a的多米諾陣列組成，多米諾方柱的寬度為d-a、高度為h2、橫向長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的多米諾陣列組成，總長(zhǎng)度為13，參數(shù)d、a、h2、L2、I3與矩形波導(dǎo)參數(shù)相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:任意一端的矩形波導(dǎo)作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入端，另一端的矩形波導(dǎo)則為輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種矩形波導(dǎo)到多米諾等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:任意一端的矩形波導(dǎo)作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入端，另一端的矩形波導(dǎo)則為輸出端。
【文檔編號(hào)】H01P5/08GK103985942SQ201410206757
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】劉亮亮, 李茁, 顧長(zhǎng)青, 許秉正, 寧蘋蘋, 陳晨, 陳星宇 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)