本發(fā)明涉及新型人工電磁材料傳輸線，尤其涉及一種周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線及條件色散和損耗的方法。

背景技術(shù)：

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，和通信、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)等信息系統(tǒng)各方面性能的大幅提升，微波毫米波集成電路不斷面臨新的挑戰(zhàn)。高速率、多功能、小型化和共形化成為發(fā)展趨勢(shì)。其中主要技術(shù)需求包括：好的信號(hào)完整性，對(duì)鄰間串?dāng)_有更高的抑制，滿足小型化和共形化需求?；谖Ь€、帶狀線等傳統(tǒng)傳輸線的器件和電路，由于其固有的傳播模式、空間波長(zhǎng)和互耦關(guān)系，難以同時(shí)滿足以上需求。人們迫切需要發(fā)展一種具有深度亞波長(zhǎng)電磁調(diào)控能力的微波傳輸線，進(jìn)而發(fā)展相應(yīng)的器件、電路及系統(tǒng)。

近年來(lái)，具有亞波長(zhǎng)場(chǎng)局域性、低損耗、可共形傳輸、且色散特性可調(diào)的人工表面等離激元傳輸線受到了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是解決以上微波毫米波集成電路技術(shù)瓶頸最有效的新型傳輸線。人工表面等離激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)，是利用人工電磁媒質(zhì)(Metamaterial)的方式來(lái)降低金屬表面的等離子體頻率，從而在微波毫米波太赫茲等頻段實(shí)現(xiàn)類似于光頻表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的模式和特性。2013年P(guān)roceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)上報(bào)道的超薄的人工表面等離激元傳輸線，這是一種印刷在超薄柔性介質(zhì)襯底上的、具有亞波長(zhǎng)褶皺圖形的金屬條帶，具有亞波長(zhǎng)的場(chǎng)局域特性、低的彎曲損耗，可共形傳輸人工表面等離激元信號(hào)。該傳輸線具有和光頻表面等離激元類似的深度亞波長(zhǎng)場(chǎng)局域，但由于金屬在微波毫米波頻段類似于理想導(dǎo)體，它的損耗相對(duì)于光頻表面等離激元大為降低。這種新型傳輸線滿足了微波毫米波電路小型化共形化的發(fā)展需求，得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，迅速發(fā)展出一系列基于該傳輸線的特性及應(yīng)用研究。至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已實(shí)現(xiàn)基于人工表面等離激元的濾波器、功分器、分頻器、環(huán)形諧振腔等無(wú)源器件及電路，放大器、二次諧波產(chǎn)生等有源電路，以及基于人工表面等離激元的輻射天線。

現(xiàn)有的人工表面等離激元傳輸線器件及電路都是基于介質(zhì)基片及金屬圖形，其中人工表面等離激元的損耗只來(lái)自于介質(zhì)基片及金屬中的吸收損耗和向空間中輻射的損耗。然而，在隔離器、開(kāi)關(guān)、匹配負(fù)載等器件中，需要利用較大吸收的傳輸線。因此，設(shè)計(jì)一種具有較大損耗，且損耗可調(diào)的人工表面等離激元傳輸線，具有重要的促進(jìn)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有較大損耗，且損耗和色散可調(diào)的周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線及調(diào)節(jié)色散和損耗的方法。

技術(shù)方案：一種周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線，包括介質(zhì)基片及其上的電阻加載的人工表面等離激元段；所述電阻加載的人工表面等離激元段包括金屬圖形及貼片電阻；所述金屬圖形包括金屬條及多個(gè)金屬片，所述金屬片位于該金屬條的同側(cè)，該金屬條與金屬片之間有縫隙；所述貼片電阻一端與金屬條焊接，另一端與金屬片焊接。

進(jìn)一步的，所述多個(gè)金屬片的結(jié)構(gòu)尺寸相同，周期或準(zhǔn)周期性排布在金屬條的同側(cè)。

更進(jìn)一步的，所述貼片電阻周期或準(zhǔn)周期加載在金屬圖形中，其周期與金屬片的周期相同或不同。

進(jìn)一步的，所述貼片電阻為任意封裝尺寸；所述金屬圖形位于介質(zhì)基片的上層、下層或多層介質(zhì)基片的中間層；所述金屬圖形為單一金屬材料，鍍金金屬材料，或?yàn)殄冨a金屬材料；厚度為0.005mm～1.0mm；所述介質(zhì)基片為任意電路板材，微波電路板材，任意半導(dǎo)體介質(zhì)材料，或柔性介質(zhì)材料；所述介質(zhì)基片的厚度為0.1mm～10mm。

進(jìn)一步的，所述周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線還包括共面波導(dǎo)，共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形和人工表面等離激元傳輸線；所述人工表面等離激元傳輸線終端與所述電阻加載的人工表面等離激元段連接，另一端通過(guò)共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形與共面波導(dǎo)連接，所述共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形由從所述共面波導(dǎo)延伸出的開(kāi)口弧面金屬結(jié)構(gòu)和槽深漸變的周期性金屬結(jié)構(gòu)組成；所述人工表面等離激元傳輸線由周期性排列的金屬單元組成；所述金屬單元上設(shè)置有垂直于周期性排列人工表面等離激元長(zhǎng)度方向的凹槽；所述凹槽位于所述周期性排列人工表面等離激元同側(cè)，所述凹槽的深度和寬度均相同。

進(jìn)一步的，所述周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線還包括共面波導(dǎo)，共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形和人工表面等離激元傳輸線；所述電阻加載的人工表面等離激元段兩端分別依次連接人工表面等離激元傳輸線，共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形和共面波導(dǎo)；所述共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形由從所述共面波導(dǎo)延伸出的開(kāi)口弧面金屬結(jié)構(gòu)和槽深漸變的周期性金屬結(jié)構(gòu)組成；所述人工表面等離激元傳輸線由周期性排列的金屬單元組成；所述金屬單元上設(shè)置有垂直于周期性排列人工表面等離激元長(zhǎng)度方向的凹槽；所述凹槽位于所述周期性排列人工表面等離激元同側(cè)，所述凹槽的深度和寬度均相同。

一種基于所述傳輸線的調(diào)節(jié)色散和損耗的方法，不改變所述傳輸線的結(jié)構(gòu)，改變貼片電阻的阻值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線色散和損耗的調(diào)節(jié)；將貼片電阻周期性加載于人工表面等離激元傳輸線中，增加了傳輸線的損耗，同時(shí)通過(guò)改變貼片電阻的阻值可以調(diào)節(jié)傳輸線的色散和損耗。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)在人工表面等離激元傳輸線中周期或準(zhǔn)周期加載貼片電阻，一方面具有較大的損耗，另一方面可通過(guò)改變加載電阻的阻值調(diào)節(jié)傳輸線的色散特性和損耗特性；該周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線不僅可以應(yīng)用于搭建負(fù)載、衰減器、隔離器、開(kāi)關(guān)等損耗器件及電路；同時(shí)也提供了一種調(diào)節(jié)色散和損耗的方法；另外，本發(fā)明制作簡(jiǎn)單，加工方便，同時(shí)具有便攜、重量輕、容易集成等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a是本發(fā)明實(shí)施例一不同阻值下的色散曲線圖。

圖2b是本發(fā)明實(shí)施例一不同阻值下的損耗曲線圖。

圖3a是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3b是本發(fā)明實(shí)施例二的S₁₁參數(shù)曲線圖。

圖4a是本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4b是本發(fā)明實(shí)施例三的S₁₂參數(shù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1所示，一種周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線，包括介質(zhì)基片1，金屬圖形2和貼片電阻3；金屬圖形包括金屬條21和金屬片22，金屬片周期排布于金屬條的一側(cè)；貼片電阻與金屬片同周期排布，分別與金屬條和金屬片焊接連接。

實(shí)施例一：

采用圖1所示結(jié)構(gòu)，其中，介質(zhì)基片為0.508mm厚的Rogers RT5880介質(zhì)基片，金屬圖形為0.018mm厚的銅箔；金屬條寬度為3mm，金屬片長(zhǎng)和寬都是4mm，金屬片和金屬條之間縫隙寬0.2mm，金屬片的周期為7mm，貼片電阻的周期為7mm，貼片電阻為0402封裝；介質(zhì)基片背面無(wú)金屬圖形。

金屬條的寬度、金屬片的長(zhǎng)和寬、周期、金屬片和金屬條之間的縫隙寬度等幾何參數(shù)，對(duì)周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線色散曲線的調(diào)節(jié)趨勢(shì)和不加載電阻的人工表面等離激元傳輸線類似，此處對(duì)貼片電阻阻值對(duì)色散曲線和損耗曲線的調(diào)節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。

貼片電阻取值分別為50Ω，100Ω和200Ω的情況下，上述傳輸線的特性曲線如圖2a和圖2b所示。

其中，圖2a為不同阻值下上述傳輸線的色散曲線圖，橫坐標(biāo)為對(duì)π歸一化的傳播常數(shù)實(shí)部，縱坐標(biāo)為頻率(GHz)；由圖可以看出，在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，改變貼片電阻的阻值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線群速色散的調(diào)節(jié)。

圖2b為不同阻值下上述傳輸線的損耗曲線，橫坐標(biāo)為傳播常數(shù)虛部(m^-1)，縱坐標(biāo)為頻率(GHz)；由圖可以看出，在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，改變貼片電阻的阻值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線損耗的調(diào)節(jié)。

實(shí)施例二：

如圖3a所示，一種周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線，包括共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形，人工表面等離激元傳輸線和電阻加載的人工表面等離激元段；其中，人工表面等離激元傳輸線終端與所述電阻加載的人工表面等離激元段連接，另一端通過(guò)共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形與共面波導(dǎo)連接，所述共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形由從所述共面波導(dǎo)延伸出的開(kāi)口弧面金屬結(jié)構(gòu)和槽深漸變的周期性金屬結(jié)構(gòu)組成；

其中，電阻加載的人工表面等離激元段的結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)施例一中結(jié)構(gòu)相同；

人工表面等離激元傳輸線未加載電阻，其由周期性金屬片和金屬條組成，周期性金屬片和金屬條直接接觸(縫隙寬度為0)，其他幾何參數(shù)和電阻加載人工表面等離激元的幾何參數(shù)相同；

圖3b為開(kāi)路人工表面等離激元傳輸線，帶有5個(gè)周期電阻加載人工表面等離激元的開(kāi)路傳輸線，帶有10個(gè)周期電阻加載人工表面等離激元的開(kāi)路傳輸線的反射系數(shù)S₁₁的曲線圖。

可見(jiàn)在開(kāi)路的人工表面等離激元傳輸線終端連接電阻加載的人工表面等離激元，可有效降低開(kāi)路端的反射，圖中可見(jiàn)S₁₁降低至-20dB以下，實(shí)現(xiàn)吸收負(fù)載的功能。其中較高頻段，10個(gè)周期和5個(gè)周期的結(jié)構(gòu)對(duì)S₁₁的降低作用相近，但在較低頻段(7GHz以下)，10個(gè)周期結(jié)構(gòu)的效果明顯優(yōu)于5個(gè)周期的結(jié)果；這是由于頻率降低，人工表面等離激元的等效波長(zhǎng)變長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)路端信號(hào)實(shí)現(xiàn)相同吸收效果需要的長(zhǎng)度變長(zhǎng)。

實(shí)施例三

如圖4a所示，一種周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線，包括對(duì)稱的共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形，人工表面等離激元傳輸線，電阻加載的人工表面等離激元段；其中，電阻加載的人工表面等離激元段兩端分別依次連接人工表面等離激元傳輸線，共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形和共面波導(dǎo)；所述共面波導(dǎo)到人工表面等離激元的過(guò)渡圖形由從所述共面波導(dǎo)延伸出的開(kāi)口弧面金屬結(jié)構(gòu)和槽深漸變的周期性金屬結(jié)構(gòu)組成；

其中，電阻加載的人工表面等離激元段的結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)施例一中結(jié)構(gòu)相同；

人工表面等離激元傳輸線未加載電阻，其由周期性金屬片和金屬條組成，周期性金屬片和金屬條直接接觸(縫隙寬度為0)，其他幾何參數(shù)和電阻加載人工表面等離激元的幾何參數(shù)相同；

如圖4b所示，一種周期加載電阻的人工表面等離激元傳輸線，串聯(lián)5個(gè)周期電阻加載人工表面等離激元傳輸線，串聯(lián)10個(gè)周期人工表面等離激元傳輸線的傳輸系數(shù)S₂₁的曲線圖。

可見(jiàn)串聯(lián)在人工表面等離激元傳輸線中的周期加載人工表面等離激元可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的衰減，且衰減隨著周期數(shù)的增大而增大，可實(shí)現(xiàn)衰減器的功能。

周期或準(zhǔn)周期的金屬微結(jié)構(gòu)(金屬圖形)，可以在微波、毫米波及太赫茲波段激勵(lì)出類似于光頻表面等離激元模式的表面波，成為人工表面等離激元；由于人工表面等離激元具有壓縮的波長(zhǎng)、亞波長(zhǎng)的場(chǎng)模式以及局域的電場(chǎng)增強(qiáng)，在縮小器件及電路尺寸，實(shí)現(xiàn)電路小型化中具有重要的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以為在介質(zhì)基片的上層、下層或多層介質(zhì)基片的中間層，通過(guò)周期或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的金屬圖形，構(gòu)造人工表面等離激元傳輸線；并通過(guò)周期或準(zhǔn)周期加載的貼片電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工表面等離激元色散(群速)和損耗的調(diào)節(jié)；可以應(yīng)用于負(fù)載、衰減器、隔離器、開(kāi)關(guān)等損耗器件及電路的搭建。