一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，包括兩端對(duì)稱的同軸波導(dǎo)，同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)以及中間的人工表面等離子波導(dǎo)；其中，過(guò)渡波導(dǎo)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體過(guò)渡，內(nèi)導(dǎo)體過(guò)渡由深度遞增的周期性環(huán)型凹槽陣列實(shí)現(xiàn)，外導(dǎo)體過(guò)渡由開(kāi)口逐漸變大的喇叭天線實(shí)現(xiàn)；人工表面等離子波導(dǎo)由恒定深度的周期性環(huán)型凹槽陣列組成。本發(fā)明具有開(kāi)放的對(duì)稱結(jié)構(gòu)、尺寸緊湊、寬頻帶、高傳輸效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易與傳統(tǒng)微波傳輸線匹配使用等一系列優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(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)，尤其涉及一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(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(fā)生集體振蕩，它局限在金屬與介質(zhì)界面附近，沿表面?zhèn)鞑?。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(xiàn)為理想導(dǎo)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(chǎng)在介質(zhì)內(nèi)的約束很差。近年來(lái)，有人提出在金屬表面挖孔或刻槽的方法來(lái)增加電磁場(chǎng)在金屬內(nèi)的滲透能力，從而可以在較低頻率對(duì)SPPs進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。這種等離子體頻率受表面幾何結(jié)構(gòu)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(jiǎn)稱SSPPs)，它首先由Pendry等人在2004年提出，并應(yīng)用于在較低頻率對(duì)SPPs進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。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(zhǎng)，以增強(qiáng)電磁波的滲透作用，從而通過(guò)等效媒質(zhì)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(shí)了 SSPPs現(xiàn)象，自此SSPPs引起了研究者的極大興趣。
[0003]一般來(lái)說(shuō)，金屬在低頻段(微波段)近似為理想導(dǎo)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)的亞波長(zhǎng)約束，而且周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的等離子頻率可以通過(guò)改變亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸來(lái)靈活改變。目前光滑的金屬線被認(rèn)為是最好的太赫茲波導(dǎo)之一，它的導(dǎo)波基于正常的SPPs機(jī)理。這種導(dǎo)波具有低損耗和低色散的優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)線上沿長(zhǎng)度方向刻周期性分布的環(huán)型凹槽，可以傳輸SSPPs和實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的亞波長(zhǎng)約束。相比光滑金屬線，上述金屬線結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的高度約束。
[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。但對(duì)于導(dǎo)波到SSPPs的轉(zhuǎn)換卻研究甚少。2013年，東南大學(xué)提出了一種在微波頻段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波到SSPPs的高效轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu),它由傳統(tǒng)的共面波導(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)構(gòu)成，兩者之間設(shè)計(jì)了溝槽深度漸變的匹配過(guò)渡帶。匹配過(guò)渡部分實(shí)現(xiàn)了 CPW和等離子波導(dǎo)的波矢匹配和阻抗匹配，此結(jié)構(gòu)在微波段實(shí)現(xiàn)了從導(dǎo)波到Spoof SPPs的高效率和寬頻段轉(zhuǎn)換，為等離子功能器件和電路在微波段的高度集成開(kāi)創(chuàng)了應(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)，如同軸波導(dǎo)，上述方案將不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)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)和同軸波導(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、易于與傳統(tǒng)微波傳輸線配合使用、性能好的同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(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]—種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:包括兩端對(duì)稱的同軸波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)，以及中間的人工表面等離子波導(dǎo)；
[0008]其中，過(guò)渡波導(dǎo)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體過(guò)渡，內(nèi)導(dǎo)體過(guò)渡由深度遞增的周期性環(huán)型凹槽陣列實(shí)現(xiàn)，外導(dǎo)體過(guò)渡由開(kāi)口逐漸張大的喇叭天線實(shí)現(xiàn)；人工表面等離子波導(dǎo)由恒定深度的周期性環(huán)型凹槽陣列組成。
[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)同軸波導(dǎo)(主模TEM波)中傳輸?shù)目臻g導(dǎo)波的類型，選用刻蝕周期性環(huán)型凹槽的人工表面等離子波導(dǎo)與其構(gòu)成雜交結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)化。
[0010]本發(fā)明可以根據(jù)同軸波導(dǎo)的類型和尺寸來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)渡波導(dǎo)和人工表面等離子波導(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)等離子超材料在微波傳輸線中更為廣泛的應(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)同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)合同軸波導(dǎo)中導(dǎo)波和人工表面等離子波導(dǎo)中SSPPs的傳輸形式設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)同軸波導(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)波到人工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(kāi)拓了一種新的應(yīng)用前景。
[0013]2.本發(fā)明具有雙側(cè)同軸波導(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)稱的同軸波導(dǎo)，中間呈恒定周期變化的刻蝕環(huán)型凹槽的人工表面等離子波導(dǎo)以及連接同軸波導(dǎo)和人工表面等離子波導(dǎo)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)。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，提出了利用深度遞增的環(huán)型凹槽結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)和人工表面等離子波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配以及外導(dǎo)體采用喇叭天線漸變來(lái)實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)和人工表面等離子波導(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.創(chuàng)新性強(qiáng)，技術(shù)前瞻性好:該同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，在微波頻段實(shí)現(xiàn)了電磁波的強(qiáng)局域性和高效傳輸，創(chuàng)新性強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)此類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；其可以很好的與傳統(tǒng)微波傳輸線配合使用，并可應(yīng)用于太赫茲波段，拓展了人工表面等離子體傳輸線的應(yīng)用范圍，具有很好的技術(shù)前瞻性。
[0015]4.效率高、頻帶寬；本發(fā)明最終可以實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的高效和寬頻帶轉(zhuǎn)化。在O?18GHz范圍內(nèi)，S11和S21在較寬頻帶內(nèi)效果理想。在0.9?1.2GHz和2.7?13.6GHz范圍內(nèi)S11均在-15dB以下，在3.5?12.4范圍內(nèi)S21均大于_2dB，在
3.5?5GHz和11.4?12.4GHz范圍內(nèi)，S21在-1dB和_2dB范圍內(nèi)變化，在6.3?9.7GHz范圍內(nèi)S21幾乎都大于-0.55dB，在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波到SSPPs的高效轉(zhuǎn)化?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】:
[0016]圖1是實(shí)施例一的主視圖；
[0017]圖2(a)是實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)剖面主視圖；
[0018]圖2(b)是實(shí)施例二的同軸波導(dǎo)部分的左視圖；
[0019]圖2(c)是實(shí)施例二的過(guò)渡部分的內(nèi)導(dǎo)體圖；
[0020]圖2(d)是實(shí)施例二的過(guò)渡部分的外導(dǎo)體圖；
[0021]圖2(e)是實(shí)施例二的的人工表面等離子波導(dǎo)圖；
[0022]圖3是實(shí)施例二過(guò)渡波導(dǎo)環(huán)型凹槽陣列的凹槽深度的變化對(duì)其色散特性的影響曲線圖；
[0023]圖4是實(shí)施例二的S參數(shù)效果圖。
具體實(shí)施方案:
[0024]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:
[0025]實(shí)施例一
[0026]如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)換器由左右兩側(cè)對(duì)稱的同軸波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)以及中間恒定周期的人工表面等離子波導(dǎo)組成。過(guò)渡波導(dǎo)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體過(guò)渡，內(nèi)導(dǎo)體過(guò)渡由深度遞增的周期性環(huán)型凹槽陣列實(shí)現(xiàn)，外導(dǎo)體過(guò)渡由開(kāi)口逐漸張大的喇叭天線實(shí)現(xiàn)；人工表面等離子波導(dǎo)由恒定深度的周期性環(huán)型凹槽陣列組成。過(guò)渡波導(dǎo)和人工表面等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)根據(jù)同軸波導(dǎo)的類型和尺寸來(lái)調(diào)節(jié)，與同軸波導(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。
[0027]實(shí)施例二
[0028]以如圖2(b)所示同軸波導(dǎo)為例，區(qū)域I為左右兩側(cè)對(duì)稱的同軸波導(dǎo)，單個(gè)總長(zhǎng)I1=15毫米，波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體外徑2? = 7毫米,外導(dǎo)體內(nèi)徑2R2 = 16毫米,壁厚t = I毫米。轉(zhuǎn)換器兩端的同軸波導(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)同軸波導(dǎo)作為輸入端時(shí)，另一同軸波導(dǎo)則為輸出端。
[0029]左右兩側(cè)對(duì)稱的過(guò)渡波導(dǎo)分別與同側(cè)的同軸波導(dǎo)連接，起到將信號(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包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體過(guò)渡。內(nèi)導(dǎo)體過(guò)渡上環(huán)型凹槽陣列的漸變深度從Ii1 = 0.25毫米按步長(zhǎng)Ah = 0.25毫米逐漸增大到h2 = 2.75毫米，環(huán)型凹槽陣列的其余部分保持漸變的最終深度h2，用來(lái)實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)和人工表面等離子波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配，環(huán)型凹槽深度的變化對(duì)其色散特性的影響如圖3所示。外導(dǎo)體的喇叭天線漸變采用內(nèi)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(lái)實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)和人工表面等離子波導(dǎo)之間的阻抗匹配，過(guò)渡波導(dǎo)內(nèi)相鄰兩個(gè)環(huán)型凹槽的水平周期間距d = 3毫米，單邊過(guò)渡波導(dǎo)的總長(zhǎng)度為I2 = 60毫米。
[0030]中間恒定周期的人工表面等離子波導(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的人工表面等離子波導(dǎo)由凹槽寬度為a = I毫米，深度h2 = 2.75毫米，相鄰兩個(gè)凹槽的水平周期間距d = 3毫米的環(huán)型凹槽陣列組成，長(zhǎng)度I3 = 150毫米。該實(shí)施例轉(zhuǎn)換器總長(zhǎng)度為300毫米。
[0031]根據(jù)實(shí)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(nèi)，S11和S21在較寬頻帶內(nèi)效果理想。在0.9~1.2GHz和2.7~13.6GHz范圍內(nèi)S11均在-15dB以下，在3.5?12.4范圍內(nèi)S21均大于_2dB，在3.5?5GHz和11.4?12.4GHz范圍內(nèi)，S21在-1dB和-2dB范圍內(nèi)變化，在6.3?9.7GHz范圍內(nèi)S21幾乎都大于-0.55dB。在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波到SSPPs的高效轉(zhuǎn)化。
【權(quán)利要求】
1.一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:包括兩端對(duì)稱的同軸波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)的過(guò)渡波導(dǎo)，以及中間的人工表面等離子波導(dǎo)； 其中，過(guò)渡波導(dǎo)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體過(guò)渡，內(nèi)導(dǎo)體過(guò)渡由深度遞增的周期性環(huán)型凹槽陣列實(shí)現(xiàn)，外導(dǎo)體過(guò)渡由開(kāi)口逐漸變大的喇叭天線實(shí)現(xiàn)；人工表面等離子波導(dǎo)由恒定深度的周期性環(huán)型凹槽陣列組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:過(guò)渡波導(dǎo)中，內(nèi)導(dǎo)體過(guò)渡的環(huán)型凹槽陣列漸變采用深度從Ii1按照恒定步長(zhǎng)Ah遞增到h2，環(huán)型凹槽陣列的其余部分保持漸變的最終深度h2 ;環(huán)型凹槽陣列相鄰兩個(gè)凹槽的水平周期距離為d ;外導(dǎo)體過(guò)渡的喇叭天線漸變采用內(nèi)徑從2R2平滑遞增到2R3，厚度為t保持不變，過(guò)渡波導(dǎo)單個(gè)總長(zhǎng)度I2，參數(shù)h、Ah、h2、d、R2、R3、t、I2與同軸波導(dǎo)參數(shù)相匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:人工表面等離子波導(dǎo)由相鄰兩個(gè)環(huán)型凹槽的水平周期距離為d，凹槽寬度為a，深度為h2的環(huán)型凹槽陣列組成，總長(zhǎng)度為13，參數(shù)d、a、h2、I3與同軸波導(dǎo)參數(shù)相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:任意一端的同軸波導(dǎo)作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入端，另一端的同軸波導(dǎo)則為輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種同軸波導(dǎo)到人工表面等離子波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:任意一端的同軸波導(dǎo)作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入端，另一端的同軸波導(dǎo)則為輸出端。
【文檔編號(hào)】H01P5/08GK103985944SQ201410207024
【公開(kāi)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】李茁, 劉亮亮, 陳晨, 顧長(zhǎng)青, 許秉正, 寧蘋(píng)蘋(píng), 陳星宇 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)