阅读说明：本技术 基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线及应用 (Artificial surface plasmon transmission line based on fractal branch structure and application ) 是由 叶龙芳 陈瑶 柳清伙 李伟文 陈焕阳 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线及应用,属于波导与传输线技术领域。包括导波结构,所述导波结构上设有周期性分形枝节,所述周期性分形枝节分布在导波结构的单侧或双侧,所述周期性分形枝节采用十字分形、Cantor形、T形、Minkowski形、Koch形、Moore curve形、Sierpinski形中的至少一种,所述导波结构采用微带线、共面波导、带状线、槽线、鳍线、单导体传输线中的至少一种。人工设计方便、灵活,通过尺度变换,放大、缩小枝节单元结构尺寸及迭代次数,能够用于微波、毫米波、或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波单路或多路的传输,在微波毫米波及太赫兹电路、器件与系统中具有重要应用前景。(An artificial surface plasmon transmission line based on a fractal branch structure and application thereof belong to the technical field of waveguide and transmission line. The fractal antenna comprises a wave guide structure, wherein periodic fractal branches are arranged on the wave guide structure and distributed on one side or two sides of the wave guide structure, the periodic fractal branches adopt at least one of cross fractal, Cantor shape, T shape, Minkowski shape, Koch shape, Moore curve shape and Sierpinski shape, and the wave guide structure adopts at least one of microstrip lines, coplanar waveguides, strip lines, slot lines, fin lines and single-conductor transmission lines. The artificial design is convenient and flexible, the structure size and the iteration times of the branch unit are amplified and reduced through scale transformation, the artificial surface plasmon polariton electromagnetic wave transmission device can be used for single-path or multi-path transmission of artificial surface plasmon polariton electromagnetic waves of microwave, millimeter wave or terahertz wave bands, and has important application prospects in microwave millimeter wave and terahertz wave circuits, devices and systems.)

基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线及应用

技术领域

本发明涉及属于波导与传输线技术领域，尤其涉及基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线及应用。

背景技术

随着信息技术的发展，对微波毫米波传输线的小型化要求愈高，这也是现实微波毫米波集成电路与系统的小型化与集成化的关键所在。表面等离激元(SPPs)是一种特殊的表面电磁波，它源于介电常数相反的两种材料界面上电子的集体振荡。在垂直于界面的方向上，SPPs呈指数衰减，在交界面上，SPPs具有束缚性极强的局域场。基于这种高度局部化的特性，SPPs可以克服衍射极限，可以应用于实现纳米光子学、近场光学等各个领域的高度集成电路和器件。然而，由于金属在微波毫米波与太赫兹等低频区的电性能接近表现为完美电导体，几乎不能激发自然的SPPs。为了解决这一问题，2004年，J.B.Pendry等人在Science上的论文《Mimicking Surface Plasmons with Structured Surfaces》提出了人工表面等离激元(Spoof SPPs，即SSPPs)的概念，通过在金属表面刻蚀亚波长孔或槽的周期阵列可以实现在微波毫米波等低频段模仿光学频段SPPs的特性。然而，这类等离激元波导往往具有三维立体结构，尺寸较大，限制了其在集成电路中的应用。近年来，为了实现波导的小型化，人们积极探索各种超薄金属带的新型平面SSPPs波导结构及其在各类功能器件与电路中的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线及应用，用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线，包括导波结构，所述导波结构上设有周期性分形枝节，所述基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线用于传输具有极强局域场束缚性能的微波与太赫兹人工表面等离激元；基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线具有低通特性，且下降沿陡峭，其中，通过改变分形枝节的侧边整体宽度和分形枝节的迭代次数调节截止频率，通过放大、缩小分形枝节的尺寸及迭代次数，将基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线用于微波、毫米波或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的一路或多路传输。

所述周期性分形枝节分布在导波结构的单侧或双侧。

所述周期性分形枝节采用十字形、康托(Cantor)形、T形、闵可夫斯基(Minkowski)形、科赫(Koch)形、Moore curve形、谢尔宾斯基(Sierpinski)形中的一种。

所述导波结构采用微带线、共面波导、带状线、槽线、鳍线、单导体传输线中的一种。

所述导波结构采用微带线，所述周期性分形枝节分布在微带线中心条带的单侧或双侧。

所述基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线的应用，利用基于分形枝节结构的人工表面等离激元传输线设计多种微波、毫米波及太赫兹波人工等离激元无源器件和有源器件。

所述微波、毫米波及太赫兹波人工等离激元无源器件和有源器件包括滤波器、功分器、耦合器、放大器、变频器、振荡器。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明首次将分形结构引入到SSPPs概念中，用于设计具有电磁波束缚性能强、结构尺寸小的新型分形枝节加载的人工表面等离激元传输线，采用人工在导波结构上加载周期性分形枝节来导引微波与太赫兹人工表面等离激元，其色散曲线的渐近频率较低、对电磁场束缚性能较强，可在微波、毫米波与太赫兹波段实现兼具小型化结构及优异的传输特性，具有重要意义。

2、本发明的传输特性主要取决于分形枝节的侧边整体宽度和分形枝节迭代次数，人工设计方便、灵活，通过尺度变换，放大、缩小枝节单元结构尺寸及迭代次数，能够用于微波、毫米波、或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波单路或多路的传输，在微波、毫米波及太赫兹电路、器件与系统中具有重要应用前景。

3、本发明具有低通特性，且下降沿陡峭，可以通过改变分形枝节的侧边整体宽度和分形枝节的迭代次数调节截止频率。

4、本发明可以采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输微波与太赫兹人工表面等离激元电磁波。

5、利用本发明可设计出多种微波、毫米波及太赫兹波人工等离激元无源器件和有源器件，如滤波器、功分器、耦合器、放大器、变频器、振荡器等。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1的周期单元结构示意图；

图3为实施例1的色散曲线图；

图4为实施例2的结构示意图；

图5为实施例2的S参数仿真结果图；

图6为实施例3的结构示意图；

图7为实施例3的S参数仿真结果图之一；

图8为实施例3的S参数仿真结果图之二。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，人工表面等离激元传输线包括微带线1，微带线中心条带上设有周期性分形枝节2，所述周期性分形枝节2分布在微带线中心条带的单侧。

本实施例中，所述微带线的介质基板材料选取Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，传输损耗角为0.0009；金属薄膜传输线以及周期性分形枝节的材料选取为铜。

所述人工表面等离激元传输线的各周期单元结构如图2所示，分别为周期单元结构的分形枝节经不同迭代次数之后的形态，尺寸选取为：w＝25mm，p＝7.5mm，a＝5.4mm，d_r＝a-r(r＝0,1,2,3)，其中，w表示基板宽度，p表示周期，a表示分形枝节的侧边整体宽度，r表示迭代次数，d_r表示各分形枝节的线宽。

如图3所示，对实施例1仿真分析得到色散曲线(频率与相位的关系)图，其中，kp/π表示归一化相位，所有色散曲线均偏离光线，随着迭代次数r和分形枝节的侧边整体宽度a的增加，渐进频率减小。因此，本发明可利用人工表面等离激元传输线具有低通特性的特点，通过调节分形枝节的参数a和r的大小设计出所需频段的传输线。

实施例2

如图4所示，实施例2是基于实施例1设计的人工表面等离激元传输线，包括微带线1，微带线中心条带上设有周期性分形枝节2，所述周期性分形枝节2分布在微带线中心条带的双侧；

具体地，所述人工表面等离激元传输线的两端为微带馈电端，微带线宽w₁＝1.54mm，保证50Ω的端口阻抗，通过a和r设计6个周期的过渡结构，实现阻抗匹配，参数设计如下：第一个过渡周期3，r＝2，a＝4.9mm；第二个过渡周期4，r＝2，a＝3.9mm；第三个过渡周期5，r＝1，a＝3.2mm；第四个过渡周期6，r＝1，a＝2.4mm；第五个过渡周期7，r＝0，a＝1.4mm；第六个过渡周期8，r＝0，a＝1.2mm；其他主要参数如下：微带线长l₁＝10mm，过渡段长l₂＝45mm，均匀传输段长l₃＝97.5mm。

图5为实施例2的S参数仿真结果图，由图5可知，所述人工表面等离激元传输线在0～4.2GHz具有良好的传输性能，并且具有较为陡峭的下降沿。

实施例3

如图6所示，实施例3是基于实施例2设计的功分器，所述功分器主要由一个直波导9和两个弯波导10组成，其中直波导9在分叉部分11一分为二，分别经4个周期旋转α＝30°成为两个弯波导10，并在中间2个周期处β＝15°加载100Ω电阻12，所述功分器还包含三个端口，分别为端口一14、端口二15、端口三16，其中端口二15、端口三16分别连接着微带与弯波导过渡段13，参数设置为：端口微带线宽w₁＝1.54mm，弯波导中微带线宽w₀＝0.77mm，实现阻抗匹配，其他主要参数如下：基板宽度w₂＝60mm，渐变段长度l₅＝10mm，功分器总长l₄＝214.8mm。由图7～8的S参数仿真结果可见，该功分器在1.5～4.2 GHz具有良好的功率分配传输性能，并且输出端的反射及两端口之间隔离性能都比较优异。