一種基于人工表面等離激元器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及放大器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于人工表面等離激元器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)層，以及固定連接在介質(zhì)層兩側(cè)且相對(duì)的第一金屬片和第二金屬片，第一金屬片和第二金屬片上分別設(shè)有周期排列的凹槽，位于金屬片中部的凹槽的深度相等，位于金屬片兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加，直至和位于金屬片中部的凹槽的深度相等。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由新型人工表面等離激元單元按照特定的排列組成，方便的制作曲面共型電路，具有很高的實(shí)用價(jià)值；同時(shí)還提供了一種基于人工表面等離激元器件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的放大器，該放大器可以在很寬的頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元波放大的功能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種基于人工表面等離激元器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工電磁材料，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于人工表面等離激元器件 的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及放大器。

【背景技術(shù)】
[0002]新型人工電磁材料（Metamaterials)是一種可以人工設(shè)計(jì)、滿足特定等效介電常 數(shù)和磁導(dǎo)率要求的電磁材料。新型人工電磁材料是基于等效媒質(zhì)理論所提出的，可以通過(guò) 改變新型人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)改變等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)。經(jīng) 過(guò)十多年的發(fā)展，新型人工電磁材料取得了快速的發(fā)展，在隱身、天線工程等方面都有著廣 泛的應(yīng)用。
[0003]近年來(lái)基于表面等離激元結(jié)構(gòu)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)所具有的獨(dú)特性 質(zhì)，使其在業(yè)內(nèi)被普遍認(rèn)為是集成光路未來(lái)發(fā)展的希望。但是由于金屬在較低的頻段無(wú)法 表現(xiàn)出其介電常數(shù)為負(fù)值的特性，使得這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性無(wú)法在較低的頻段內(nèi)得以再 現(xiàn)。但借助于新型人工電磁材料的概念，人們利用周期陣列結(jié)構(gòu)成功模擬了表面等離激元 在光波段的性質(zhì)，業(yè)內(nèi)稱(chēng)這種特殊結(jié)構(gòu)為人工表面等離激元。這種新型的傳輸結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng) 的光波段的表面等離激元具有相似的特性可能成為微波電路未來(lái)發(fā)展的方向之一。
[0004]已經(jīng)報(bào)道的單層人工表面激元結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)尺寸的限制，如果直接將其運(yùn)用 在微波頻段顯得較為累余，并不能很好的發(fā)揮其特殊的物理性質(zhì)。而且因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)大多 為單導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所以較難在這種結(jié)構(gòu)上集成有源芯片。而根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，針對(duì)這種結(jié)構(gòu)所 提出的表面等離激元和導(dǎo)波轉(zhuǎn)換裝置，由于其需要附加兩個(gè)面積龐大的漸變式的共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)，在實(shí)際大規(guī)模電路設(shè)計(jì)中有較大的限制。


【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：提供一種基于人工表面等離激元器件 的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由新型人工表面等離激元單元按照特定的排列組成，具有易于加 工、成本低、厚度薄、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，方便的制作曲面共型電路，具有很高的實(shí)用價(jià)值；同時(shí) 還提供了一種基于人工表面等離激元器件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的放大器，該放大器可以在很寬的頻帶 內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元波放大的功能。
[0006]技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007]-種基于人工表面等離激元器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層，以及固定 連接在介質(zhì)層兩側(cè)且相對(duì)的第一金屬片和第二金屬片，第一金屬片和第二金屬片上分別 設(shè)有周期排列的凹槽，且第一金屬片上的凹槽開(kāi)口方向和第二金屬片上的凹槽開(kāi)口方向相 反；位于第一金屬片中部的凹槽的深度相等，位于第一金屬片兩端的凹槽深度分別沿著從 端部向中部逐漸增加，直至和位于第一金屬片中部的凹槽的深度相等；位于第二金屬片中 部的凹槽的深度相等，位于第二金屬片兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加， 直至和位于第二金屬片中部的凹槽的深度相等。
[0008] -種上述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元放大器，該放大器包括集成放大器芯 片、介質(zhì)層，以及固定連接在介質(zhì)層兩側(cè)的第一金屬片和第二金屬片，第一金屬片和第二金 屬片上分別設(shè)有凹槽，且第一金屬片上的凹槽開(kāi)口方向和第二金屬片上的凹槽開(kāi)口方向相 反；位于第一金屬片中部的凹槽的深度相等，位于第一金屬片兩端的凹槽深度分別沿著從 端部向中部逐漸增加，直至和位于第一金屬片中部的凹槽的深度相等；位于第二金屬片中 部的凹槽的深度相等，位于第二金屬片兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加， 直至和位于第二金屬片中部的凹槽的深度相等；集成放大器芯片位于第一金屬片的中部， 且集成放大器芯片通過(guò)縱向金屬條固定連接在第一金屬片上，縱向金屬條固定連接在介質(zhì) 層上。
[0009] 進(jìn)一步，所述的縱向金屬條與第一金屬片相垂直。
[0010] 進(jìn)一步，所述的第一金屬片的凹槽開(kāi)口方向向下。
[0011] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0012] 1.本發(fā)明制作簡(jiǎn)單，加工方便。利用成熟的PCB加工技術(shù)可以完成對(duì)本發(fā)明的加 工。傳統(tǒng)的人工表面等離激元器件為三維立體結(jié)構(gòu)，需要復(fù)雜的工序，加工繁瑣，并且價(jià)格 昂貴。
[0013] 2.本發(fā)明相比于已經(jīng)報(bào)道的單層人工表面等離激元器件，具有更強(qiáng)的次波長(zhǎng)效應(yīng) 和場(chǎng)局域效果。因?yàn)楸景l(fā)明利用兩層金屬之間的顯著耦合，使得整體的表面等離子體頻率 顯著降低，從而使得本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在相同頻率下表現(xiàn)出更為顯著的類(lèi)表面等離激元性質(zhì)， 比如次波長(zhǎng)效應(yīng)和場(chǎng)局域特點(diǎn)。
[0014] 3.本發(fā)明同時(shí)具備便攜、重量輕、容易集成等優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的人工表面等離激 元器件，本發(fā)明厚度薄、重量輕、易于共形。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的人工表面等離激元器件實(shí)際是3D的 金屬結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明僅僅是在介質(zhì)與表面敷上兩層很薄的金屬。因此顯然具有上述特點(diǎn)。
[0015] 4.本發(fā)明可以?xún)H僅通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸來(lái)改變器件的色散特性。調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單， 擴(kuò)展性良好。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)整體上是利用金屬單元結(jié)構(gòu)的諧振效果來(lái)降低其等效的體相等離子 諧振頻率，因此，調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)了其金屬結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)，使等離子頻率發(fā)生 變化，從而改變其色散特性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正視圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的后視圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明中放大器的正視圖。
[0019]圖4是本發(fā)明中放大器的后視圖。
[0020] 圖5是具有不同槽深的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散行為曲線，槽深用h表示。
[0021] 圖6是本發(fā)明中放大器的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
[0022] 圖7是本發(fā)明中放大器S參數(shù)的仿真結(jié)果圖。
[0023] 圖8是本發(fā)明中放大器S參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
[0024] 圖中有：第一金屬片1、第二金屬片2、介質(zhì)層3、集成放大器芯片4、縱向金屬條5。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0026] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于人工表面等離激元器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括介 質(zhì)層3,以及固定連接在介質(zhì)層3兩側(cè)且相對(duì)的第一金屬片1和第二金屬片2。第一金屬片 1和第二金屬片2上分別設(shè)有周期排列的凹槽，且第一金屬片1上的凹槽開(kāi)口方向和第二金 屬片2上的凹槽開(kāi)口方向相反。第一金屬片1和第二金屬片2上的凹槽都成梳狀結(jié)構(gòu)。位 于第一金屬片1中部的凹槽的深度相等，位于第一金屬片1兩端的凹槽深度分別沿著從端 部向中部逐漸增加，直至和位于第一金屬片1中部的凹槽的深度相等。位于第二金屬片2 中部的凹槽的深度相等，位于第二金屬片2兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增 力口，直至和位于第二金屬片2中部的凹槽的深度相等。
[0027] 上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩層介質(zhì)之間的耦合，使得其表面等離子體頻率進(jìn)一步降低， 使得其支持的模式表現(xiàn)為一種人工等離激元模式。這種模式較傳統(tǒng)導(dǎo)波模式具有更小的等 效波導(dǎo)波長(zhǎng)，這個(gè)性質(zhì)可以用于構(gòu)建小型化的器件。這種模式的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有顯 著的場(chǎng)局域效果，這一點(diǎn)可以被利用于降低相鄰波導(dǎo)之間的串?dāng)_。
[0028] 上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，第一金屬片1和第二金屬片2均為周期型類(lèi)光柵結(jié)構(gòu)，并且第一 金屬片1和第二金屬片2構(gòu)成反稱(chēng)關(guān)系。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為超薄、可共型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變 第一金屬片1和第二金屬片2中凹槽的開(kāi)槽深度、開(kāi)槽寬度、結(jié)構(gòu)的大小，可以達(dá)到調(diào)節(jié)其 支持模式的傳播性質(zhì)的目的，包括但不限于截止頻率、傳播常數(shù)。如圖5所示，它表征了通 過(guò)改變結(jié)構(gòu)中凹槽的開(kāi)槽深度后，這種結(jié)構(gòu)所支持的模式的傳播常數(shù)之間的變化關(guān)系。從 圖5中可以明顯的發(fā)現(xiàn)，隨著槽深h的增加，其等效的等離子體頻率顯著降低，并且相同頻 率，槽深較大的單元，所支持的模式傳播常數(shù)亦較大。根據(jù)色散方程，其他方向的凋落場(chǎng)衰 減速度更快，場(chǎng)局域效果越好。
[0029] 通過(guò)對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行符合特定規(guī)律的周期延拓，比如構(gòu)成直波導(dǎo)，這是周期直線 延拓，需要折彎是周期沿著圓弧延拓，諸如類(lèi)似的，可形成表面等離激元波導(dǎo)和其他相關(guān)功 能器件。
[0030] 本發(fā)明的新型反對(duì)稱(chēng)人工表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有兩大優(yōu)點(diǎn)。首先，因其表面 等離子頻率較現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步降低，從而可以使其次波長(zhǎng)和場(chǎng)局域效應(yīng)顯著增強(qiáng)，可進(jìn)一 步增強(qiáng)其低串?dāng)_的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)在信號(hào)完整性和電路布線方面擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。其 次，設(shè)計(jì)了緊湊有效的人工表面等離激元和微帶之間的轉(zhuǎn)換裝置，可以在很寬的頻帶內(nèi)，實(shí) 現(xiàn)微帶傳輸?shù)男盘?hào)與表面等離激元模式的信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換。在保證轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，幾乎 不增加版圖面積，減小了版圖布線負(fù)擔(dān)，成功改善其布線特性。因此這種人工表面等離激元 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在微波電路方面有巨大的應(yīng)用前景。
[0031] 如圖3和圖4所示，本發(fā)明的基于上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元放大器，包括 集成放大器芯片4、介質(zhì)層3,以及固定連接在介質(zhì)層3兩側(cè)的第一金屬片1和第二金屬片 2。第一金屬片1和第二金屬片2上分別設(shè)有凹槽，且第一金屬片1上的凹槽開(kāi)口方向和第 二金屬片2上的凹槽開(kāi)口方向相反。位于第一金屬片1中部的凹槽的深度相等，位于第一 金屬片1兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加，直至和位于第一金屬片1中部 的凹槽的深度相等。位于第二金屬片2中部的凹槽的深度相等，位于第二金屬片2兩端的 凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加，直至和位于第二金屬片2中部的凹槽的深度相 等。集成放大器芯片4位于第一金屬片1的中部，且集成放大器芯片4通過(guò)縱向金屬條5 固定連接在第一金屬片1上，縱向金屬條5固定連接在介質(zhì)層3上。
[0032] 進(jìn)一步，所述的縱向金屬條5與第一金屬片1相垂直。
[0033] 進(jìn)一步，所述的第一金屬片1的凹槽開(kāi)口方向向下。當(dāng)然，第一金屬片1的凹槽開(kāi) 口方向也可以向下。
[0034] 如圖6所示，上述結(jié)構(gòu)的放大器使得放大器可以方便的集成在人工表面等離激元 器件之間，使得最新提出的基于人工表面等離激元的有源器件成為現(xiàn)實(shí)。這是第一次在實(shí) 驗(yàn)層面上實(shí)現(xiàn)了對(duì)于人工表面等離激元波的放大。其與普通放大器的區(qū)別主要體現(xiàn)在其激 勵(lì)和輸出所用的模式，均為人工表面等離激元波的模式。因此其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要由這種波導(dǎo) 的有點(diǎn)所決定。
[0035] 本發(fā)明的表面等離激元放大器，是由被介質(zhì)基板隔開(kāi)，正反形成反稱(chēng)關(guān)系的凹形 金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)周期性排列所構(gòu)成。這種人工表面等離激元放大器結(jié)構(gòu)是由 兩根直線型波導(dǎo)和集成放大器芯片所構(gòu)成。
[0036] 本發(fā)明的表面等離激元放大器結(jié)構(gòu)的原理是基于表面等離激元單元進(jìn)行有序的 周期排列所構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)由反對(duì)稱(chēng)的梳狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，中間由介質(zhì)基板隔開(kāi)。當(dāng)TM模式的 波對(duì)這種周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，可激勵(lì)起僅在周期方向?yàn)閭鞑ツＪ降?，在另外兩個(gè)正交方 向上表現(xiàn)為自然指數(shù)衰減的表面等離激元模式。其色散行為的表現(xiàn)類(lèi)比于光學(xué)波段下表面 等離激元的色散性質(zhì)。當(dāng)頻率接近結(jié)構(gòu)的截至頻率時(shí)，其表現(xiàn)出更加顯著的場(chǎng)束縛及亞波 長(zhǎng)特性。正是由于這種結(jié)構(gòu)擁有非常強(qiáng)的場(chǎng)局域效果，使得這種結(jié)構(gòu)的串?dāng)_很?。磧蓷l 相互靠的很近的傳輸線由于互感和互容引起的電磁耦合），這個(gè)優(yōu)良特性使其在高速電路 中具有潛在的應(yīng)用前景。但是與光波段SPP性質(zhì)所不同的是，這種結(jié)構(gòu)可以?xún)H僅通過(guò)調(diào)節(jié) 其結(jié)構(gòu)單元的開(kāi)槽的深度和寬度，就可以方便的調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)的色散特性。
[0037] 因?yàn)閭鹘y(tǒng)微波結(jié)構(gòu)從同軸結(jié)構(gòu)端口饋入的信號(hào)的主模式為T(mén)EM模式，與本發(fā)明所 提到的人工表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)支持的TM模式之間存在模式失配，因此需要使用過(guò)度 結(jié)構(gòu)進(jìn)行較好的模式轉(zhuǎn)換。在考慮人工表面等離激元波導(dǎo)阻抗與微帶波導(dǎo)之間阻抗與波 矢匹配的情況下，我們運(yùn)用梯度折射率結(jié)構(gòu)，在本結(jié)構(gòu)的前后兩端設(shè)置了緊湊的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) (該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)兩端槽深漸變的和微帶逐漸縮小的部分），實(shí)現(xiàn)了表面等離激元波 導(dǎo)與微帶線之間的高效率轉(zhuǎn)換。通過(guò)打邦定線技術(shù)，將一塊放大器集成芯片加載于本發(fā)明 所提到的SPP波導(dǎo)上面使其成為獨(dú)立的人工表面等離激元放大器件。
[0038] 本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，包括正反面形成反對(duì)稱(chēng)關(guān)系的第一金屬片1和第二金屬片 2,第一金屬片1和第二金屬片2由介質(zhì)層3隔開(kāi)。調(diào)節(jié)第一金屬片1和第二金屬片2的開(kāi) 槽深度，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)單元的色散特性。以人工表面等離激元單元為基礎(chǔ)，通過(guò)周期排列凹 槽，構(gòu)成表面等離激元波導(dǎo)及其他器件。通過(guò)加載集成芯片以及打邦定線技術(shù)，構(gòu)成有效的 人工表面等離激元放大器件。利用相應(yīng)的微波網(wǎng)絡(luò)的方法，得出S參數(shù)級(jí)聯(lián)公式，用以簡(jiǎn)單 估計(jì)放大器件的放大效果。其公式如下：
[0039]Sp =Sp^Spc(T-Scc)-1Scp
[0040]其中Sp，Spp，Sp。，Sep,S。。和Γ由下面給出，其端口的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于人工表面等離激元器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層 (3)，以及固定連接在介質(zhì)層（3)兩側(cè)且相對(duì)的第一金屬片（1)和第二金屬片（2)，第一金屬 片（1)和第二金屬片（2)上分別設(shè)有周期排列的凹槽，且第一金屬片（1)上的凹槽開(kāi)口方向 和第二金屬片（2)上的凹槽開(kāi)口方向相反；位于第一金屬片（1)中部的凹槽的深度相等，位 于第一金屬片（1)兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加，直至和位于第一金屬 片（1)中部的凹槽的深度相等；位于第二金屬片（2)中部的凹槽的深度相等，位于第二金屬 片（2)兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加，直至和位于第二金屬片（2)中部 的凹槽的深度相等。
2. -種基于權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元放大器，其特征在于，該 放大器包括集成放大器芯片（4)、介質(zhì)層（3)，以及固定連接在介質(zhì)層（3)兩側(cè)的第一金屬 片（1)和第二金屬片（2)，第一金屬片（1)和第二金屬片（2)上分別設(shè)有凹槽，且第一金屬片 (1)上的凹槽開(kāi)口方向和第二金屬片（2)上的凹槽開(kāi)口方向相反；位于第一金屬片（1)中部 的凹槽的深度相等，位于第一金屬片（1)兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加， 直至和位于第一金屬片（1)中部的凹槽的深度相等；位于第二金屬片（2)中部的凹槽的深 度相等，位于第二金屬片（2)兩端的凹槽深度分別沿著從端部向中部逐漸增加，直至和位于 第二金屬片（2)中部的凹槽的深度相等； 集成放大器芯片（4)位于第一金屬片（1)的中部，且集成放大器芯片（4)通過(guò)縱向金屬 條（5)固定連接在第一金屬片（1)上，縱向金屬條（5)固定連接在介質(zhì)層（3)上。
3. 按照權(quán)利要求2所述的人工表面等離激元放大器，其特征在于，所述的縱向金屬條 (5)與第一金屬片（1)相垂直。
4. 按照權(quán)利要求2所述的人工表面等離激元放大器，其特征在于，所述的第一金屬片 (1)的凹槽開(kāi)口方向向下。
【文檔編號(hào)】H01P3/02GK104332686SQ201410604357
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 張浩馳, 劉碩, 沈曉鵬, 陳林輝, 李連鳴 申請(qǐng)人:東南大學(xué)