基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置
阅读说明：本技术 基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置 (Artificial surface plasmon transmission line excitation device based on microstrip line interface ) 是由 崔铁军 闫瑞婷 张浩驰 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置,其特征在于,包括金属地,所述金属地上方设置有介质基板,所述介质基板上设置有金属条带,所述金属条带一端设置有深度渐变的矩形凹槽,所述金属条带两侧对应的下方金属地上设置有不同曲率的非对称指数型金属扩口地结构。本发明提出的人工表面等离激元激励装置具有效率高、设计简单、结构紧凑和易加工等特点,并且本发明提出的激励装置通用性强易于移植,对于单边开槽或双边开槽的其他单导体人工表面等离激元传输线均为适用,在新型微波集成电路和器件领域有着广阔的应用前景。(The invention discloses an artificial surface plasmon transmission line excitation device based on a microstrip line interface, which is characterized by comprising a metal ground, wherein a medium substrate is arranged above the metal ground, a metal strip is arranged on the medium substrate, one end of the metal strip is provided with a rectangular groove with gradually changed depth, and asymmetric exponential metal flaring ground structures with different curvatures are arranged on the lower metal ground corresponding to the two sides of the metal strip. The artificial surface plasmon excitation device has the characteristics of high efficiency, simple design, compact structure, easiness in processing and the like, is strong in universality and easy to transplant, is suitable for other single-conductor artificial surface plasmon transmission lines with grooves on one side or two sides, and has wide application prospect in the field of novel microwave integrated circuits and devices.)
技术领域
本发明涉及人工电磁，具体涉及一种基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置。
背景技术
表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种表面电磁波，根据麦克斯韦方程组推导可知，其存在于介电常数相反的两种介质交界面上。在可见光频段，金属具有负的介电常数，其内部的自由电子呈等离子态，而空气一层介电常数是正值，所以在金属表面存在着自然状态下的表面等离激元。表面等离激元具有一些独特的性质：明显的场增强效果、强的场束缚能力以及亚波长效应。但是在频率较低的情况下，如微波频段，金属表现为理想电导体而不是等离子体，故在低频段不存在天然的表面等离激元。
应用新型人工电磁材料的概念可以在可见光频率以下的频段激发人工表面等离子体。已有研究证明一种超薄的单导体刻槽结构可以在微波及太赫兹波段支持类似于可见光频段的表面等离激元传输，被称为人工表面等离激元。但是基于这一理论的人工表面等离激元传输面临一大问题，即如何在单导体结构上与现行的双导体结构系统完美衔接，实现高效的人工表面等离激元激励并且使其结构简单、紧凑，从而保持人工表面等离激元的特性不变。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置，解决与现行双导体结构不好衔接，结构复杂的问题。
技术方案：本发明所述的基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置，包括金属地，所述金属地上方设置有介质基板，所述介质基板上设置有金属条带，所述金属条带一端设置有深度渐变的矩形凹槽，所述金属条带两侧对应的下方金属地上设置有不同曲率的非对称指数型金属扩口地结构。
其中，所述金属扩口地结构以金属条带为分界线分别向上和向下延伸。
所述金属条带沿介质基板纵向设置。
所述矩形凹槽采用在金属条带上刻蚀的方法形成。
所述介质基板的厚度为0.254-1.524mm。
为使传输效率更高，所述介质基板的损耗正切值小于0.04。
有益效果：本发明利用微带作为馈电接口，通过设计馈电装置实现了具有通用性的双导体传输线结构对人工表面等离激元单导体传输线的高效激励。激励装置结构简单，紧凑，加工方便，成本低，重量轻。传统的微带激励装置需要进行微带-共面波导-人工表面等离激元传输线间的复杂转换或者需要大面积金属地连接而不能真正实现双导体-单导体间的流畅衔接。本发明提出的由微带线直接激励的人工表面等离激元传输线激励装置，制作工艺相对简单，不仅节省造价，而且避免了复杂工艺步骤引发的加工误差。本发明具有宽带高效特性。从4GHz到12GHZ频段内覆盖C波段和X波段，可以满足卫星通信等设备的传输要求。本发明的人工表面等离激元传输线单端口激励装置的***损耗为1dB,显示了其宽带高效特性。本发明所采用的介质基板很薄，因此整个阵列具有轻薄的特点，在很多重量受限的项目中能得到很广泛的应用。本发明所采用的激励装置设计简单，便于移植到不同尺寸不同类型的单导体人工表面等离激元传输线作为激励装置，且便于优化结构参数实现高效激励。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2中(a)是本发明应用的人工表面等离激元传输线单元结构示意图，(b)是不同凹槽深度d下的色散曲线图；
图3是应用本发明提出的激励装置进行馈电的双端口人工表面等离激元传输线的全波仿真和实验测试散射参数；
图4是应用本发明提出的激励装置进行馈电的人工表面等离激元传输线在不同频率下传输线上电场的近场仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，基于微带线接口的人工表面等离激元传输线激励装置，包括金属地6，金属地6上方设置有介质基板7，介质基板7上设置有金属条带2，金属条带一端设置有深度渐变的矩形凹槽3，其矩形凹槽排布方式与人工表面等离激元单元结构的排布方式相同，且凹槽深度按照梯度依次逐渐增大直至最后一个凹槽的深度与人工表面等离激元单元结构的凹槽深度相同，金属条带2两侧对应的下方金属地6上设置有不同曲率的非对称指数型金属扩口地结构，非对称指数型金属扩口地结构包括第一指数型金属扩口地结构4和第二指数型金属扩口地结构5，不同曲率的非对称指数型金属扩口地结构以金属条带为分界线分布在其两侧分别向上向下延伸，其中第一指数型金属扩口地结构4位于金属条带上凹槽上方一侧，第二指数型金属扩口地结构5位于金属条带上凹槽下方一侧，与介质基片下层的微带线金属地连接。其中第一指数型金属扩口地结构4因为金属条带靠近凹槽一侧的人工表面等离激元传输线的场束缚能力强，所以其曲率较大，所占面积较小。第二指数型金属扩口地结构5是远离金属条带中凹槽一侧的扩口地结构，因为对应非凹槽一侧人工表面等离激元传输线部分的场束缚相对较弱，所以其曲率较小，所占面积相对较大。其中，介质基板的厚度为0.254-1.524mm，介质基板的损耗正切值小于0.04。
本发明通过微带线介质基板上层导带连接深度渐变的凹槽，下层金属地从导带处***并沿传输线纵向方向分别按不同的指数形式扩开形成非对称扩口地结构，实现了在微波频段利用微带线对单导体人工表面等离激元传输线的高效激励。通过本征模式仿真可知印制于超薄介质基片上的刻蚀矩形槽的金属结构其色散特性十分明显，色散程度随凹槽深度增加而加重，因此利用深度渐变凹槽可以实现微带与人工表面等离激元传输线单元结构间的波矢匹配。非对称的扩口地结构实现了微带线与人工表面等离激元之间的阻抗匹配与场型转换，非对称结构适用于单边刻槽的人工表面等离激元传输线激励装置，而对于双边刻槽的对称型人工表面等离激元传输线，仅需将扩口地结构设计为对称型即扩口地曲率相同，便可实现高效的人工表面等离激元激励。数值仿真和实验测试结果表明了本发明的宽带、高效特性。
图2是本发明应用的人工表面等离激元传输线单元结构示意图以及不同凹槽深度d下的色散曲线图。单元结构由印制于介质基片上的金属条带刻蚀矩形槽组成，其中单元周期长度为p＝3mm,宽度为h＝3.6mm,槽深为d＝3mm,凹槽宽度为a＝1.5mm,介质基片为Rogers RT5880,厚度为ts＝0.508mm。利用商用软件CST微波工作室中的本征模求解器求得的具有不同凹槽深度d的单元结构对应的色散曲线,表明深度渐变凹槽可以用于微带线导带和人工表面等离激元传输线间的连接以实现波矢匹配。
图3是对图1所示的包含馈电装置的二端口传输线的全波数值仿真和实验测试所得的散射参数对比图。数值仿真和实验测试结果基本一致，其中传输系数S21在4GHz到12GHZ的通带内可以达到-1.5dB而反射系数S11低于-10dB，表明包括馈电装置在内的人工表面等离激元传输线的***损耗在4-12GHz的宽频带范围内维持在1dB以内，验证了本发明的宽带、高效特性。
图4是对图1所示的双端口人工表面等离激元传输线在4GHz、8GHz和12GHz时利用数值仿真软件得到的电场近场分布图。近场分布图可以明显的观察到人工表面等离激元的场束缚效应和良好的传输性能，由于馈电装置的扩口地结构存在一定的辐射效应，在扩口地结构4和5处存在场型扰乱的现象，但是其整体的激励效率仍保持在89.1％以上。在通带内其他频点处馈电装置与人工表民等离激元传输线场型转换流畅，激励效率较，可满足通信系统带宽和效率需求。