一种带宽完全隔离的多方向表面波分波器的制作方法

本发明属于表面波多向分波器领域，具体涉及一种带宽完全隔离的多方向表面波分波器。

背景技术：

人工表面等离子体是一种在低频波段(微波，太赫兹或远红外)存在于不平整金属表面上的表面电磁波，由于该表面电磁波局限在亚波长范围内而不受衍射极限的限制，因而在集成电路器件小型化及数据存储方面有重要应用。如何有效控制表面波的传输对于实现这些重要应用至关重要。

现有的表面波多向分波器主要基于传统的人工表面等离子体波导，通过构造具有不同色散关系的波导结构，从而实现表面波的分波。通过控制金属光栅结构的表面凹槽的深度，表面凹槽的宽度、表面凹槽的周期性和金属板的厚度来改变金属表面结构的色散曲线，从而达到表面波分波的目的。

现有表面波多向分波器技术主要基于传统人工表面等离子体色散曲线可以通过改变金属结构的几何参数来实现分波的功能。但是传统的表面等离子体色散关系是从光线出发的，所以基于传统表面等离子体色散关系的表面分波器虽然可以在高频波段被隔离开，但是在低频波段色散关系仍然重合在一起，无法彻底使不同频率的表面波完全分离。这样就造成了低频波段分波功能的失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种带宽完全隔离的多方向表面波分波器。

本发明的带宽完全隔离的多方向表面波分波器，包括在金属表面周期性排列的金属柱阵列结构构成的表面波光子晶体，所述表面波光子晶体上设置有多个波导，所述表面波光子晶体的金属柱与柱之间的距离相等，且该距离小于表面波工作波长的二分之一；所述的波导为通过在表面波光子晶体上引入缺陷的方式构成，所述缺陷处的谐振频率处在周围表面波光子晶体的禁带之内；所述的所有波导的一端与激发源相连，另一端用于与各自接收器相连。

优选的，所述的引入缺陷的方式为降低金属柱的柱高，被降低柱高的金属柱处的谐振频率处在周围较高金属柱组成的表面波光子晶体的禁带之内。

优选的，同一个波导内被降低柱高的金属柱的高度相同。

优选的，不同波导内被降低柱高的金属柱的高度各不相同，即所述多个波导的色散曲线完全隔离。

可选的，所述的波导为直波导，即所述被降低柱高的金属柱连续或每隔一个排列成一条直线。

可选的，所述的波导为包含一个或多个无弯曲半径的90°折角的波导，即所述被降低柱高的金属柱连续或每隔一个排列成一条直线或包含一个或多个无弯曲半径的90°折角的折线。

设置表面波激发源(如放置一个单极子天线)，这样从中心激发源激发出的表面波在不同的频率范围内就会沿不同的方向传播而没有频率上的重叠。而且发现基于表面波光子晶体构造出来的波导的色散曲线和传统的表面等离子体色散曲线完全不同，传统的表面等离子体曲线是从光线出发在第一布里渊边界达到渐近频率，而基于光子晶体构造的波导色散曲线和利用紧束缚近似原理的耦合谐振腔光学波导(coupled-resonatoropticalwaveguide)一样。由于耦合谐振腔波导的传输带不是从光线出发而且拥有较窄的传输带宽，所以通过设计不同耦合谐振腔波导的结构参数，可以把分波器不同分支波导的色散曲线完全隔离开来，这样不同频率的表面波就会沿着分波器不同的分支传播而没有任何重叠，从而达到彻底分波的目的。

本发明提出了一种新的带宽完全隔离的多向分波器和多向分波机制，这种机制是基于紧束缚近似原理的耦合谐振腔光学波导的色散关系，而不是传统的表面等离子体波导的色散关系。

本发明实现了不同频率的表面波的彻底分离，而传统的人工表面等离子体波导是实现不了该功能的。带宽完全隔离的多向分波器在太赫兹及微波集成电路中有重要作用。

本发明的多向表面波分波器的工作频率范围可以通过调整金属结构的几何参数来任意改变。

附图说明

图1(a)完全带宽隔离的多向表面波分波器示意图。图1(b)多向分波器四个分支耦合谐振腔波导的色散曲线。

图2(a)带宽完全隔离的多向分波器四个分支的近场传输谱。(b-e)实验测得的多向分波器不同频率下的电场分布图，其中图2(b)为12.85ghz，图2(c)为13.35ghz，图2(d)为13.88ghz，图2(e)为14.48ghz。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

本发明基于表面波光子晶体构造的带宽完全隔离多向表面波分波器，如图1(a)所示。本发明所采用的表面波光子晶体是在金属表面周期性排列的金属柱阵列结构，金属柱的高度h＝5mm，周期d＝5mm，半径r＝1.25mm。该表面波光子晶体在12.6ghz到27ghz频率范围内是表面波的禁带，即在该频率范围内不支持任何表面波的传播。通过降低金属柱子高度的方法在周围光子晶体禁带中引入表面波传播的通带，这样表面波就会沿着降低的金属柱传播。

首先移去该表面波光子晶体中心的一个金属柱并放置一个单极子天线作为表面波的激发源，如图1(a)所以。其次在四个不同方向上(如图1(a)黑色宽箭头所示)每隔一个金属柱降低金属柱子的高度，分别从h＝5mm降低到h＝4.7mm，4.4mm，4.1mm，3.8mm，其它金属柱高度保持不变。对四个方向上的表面波波导进行本征模式分析，计算出他们的色散曲线，如图1(b)所示。从图中可以看出，四个方向上耦合谐振腔波导的色散曲线完全隔离开，这样从中心激发源激发出的表面波在不同的频率范围内就会沿不同的方向传播而没有频率上的重叠。而且发现基于表面波光子晶体构造出来的波导的色散曲线和传统的表面等离子体波导色散曲线完全不同，传统的表面等离子体波导色散曲线是从光线出发在第一布里渊边界达到渐近频率，而基于表面波光子晶体构造的波导的色散曲线和利用紧束缚近似原理的耦合谐振腔光学波导(coupled-resonatoropticalwaveguide)的色散曲线一样。由于耦合谐振腔波导的传输带不是从光线出发而且拥有较窄的传输带宽，所以通过设计不同耦合谐振腔波导的结构参数，可以把分波器不同分支耦合谐振腔波导的色散曲线完全隔离开来，这样不同频率的表面波就会沿着分波器不同的分支传播而没有任何重叠，从而达到彻底分波的目的。

为了试验验证的设计，加工了图1(a)中的分波器并用网络矢量分析仪测试了分波器四个不同分支的近场传输谱，如图2(a)所示。可以看到多向分波器四条不同分支的传输带完全隔离开来，这样不同频率的表面波就会被彻底分开。为了对比，同样测试了没有引入缺陷的完整表面波光子晶体的传输谱，如图2(a)中灰线所示，可以看到该表面波光子晶体的禁带从12.6ghz开始，而多向分波器的四个分支的传输带都位于周围表面波光子晶体的禁带内。为了更清楚的表现多向分波器的性能，利用微波近场成像仪对该多向分波器的电场进行成像，如图二(b-e)所示，不同频率的表面电磁波按照设计的要求沿分波器的不同分支传播，而且相互之间没有任何重叠。12.85ghz的表面波只向右传播，13.35ghz的表面波只向下传播，13.88ghz的表面波只向左传播，而14.48ghz的表面波只向上传播，从而完全分离不同频率的电磁波。