一种人工表面等离子体激元器件的制作方法

本实用新型属于微波传输技术领域，涉及一种用于人工表面等离子体激元器件的模式转化装置。

背景技术：

人工表面等离子体激元(spoofsurfaceplasmonpolaritons，sspps)是一种存在于介质和金属交界面上的表面波，由于它特殊的色散特性、较强的场限制特性和能够突破衍射极限的特性而被众多学者深入研究，广泛应用于天线、滤波器、频率选择器、混频器和功率分配器等微波器件中以实现器件的小型化。但是sspps结构中渐变的模式转化结构导致模型横向尺寸较大，影响了器件小型化的进程，在很大程度上限制了sspps器件的工程应用。

因此，亟需一种能够应用于sspps器件中的小型化的模式转化装置，从而实现了sspps低通滤波器的小型化。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种结构紧凑并能实现sspps波和导波相互转化的模式转化装置，用这种装置来代替传统的渐变梯度凹槽的模式转化结构，以此来达到sspps器件小型化的目的。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种模式转化装置，包括：加载在传输线上的两个直角三角形贴片和两个矩形条带；

所述两个直角三角形贴片对称设置在传输线两侧，直角边紧靠传输线；

所述两个矩形条带对称设置在传输线两侧，与传输线的夹角为θ。

一种人工表面等离子体激元器件，包括：传输线结构6、模式转化装置7和sspps结构8；

两个模式转化装置分别对称设置在spps结构两端，使得夹角朝向相对；模式转化装置的传输线一端与传输线结构连接，另一端与spps结构连接。

进一步，该器件设置在介质板上。

进一步，该器件由铜皮制成。

进一步，介质板的背面由铜皮覆盖。

进一步，所述直角三角形贴片的直角边长度分别为：c1＝2.38mm，c2＝0.95mm；所述矩形条带的长b1＝6.6mm，宽b2＝0.84mm，夹角为θ＝17°。

进一步，所述模式转化装置7的尺寸为6.72mm×7.47mm。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的模式转化装置结构紧凑并能实现sspps波和导波相互转化。本实用新型完全实现了模式转化装置的小型化，且技术指标优良，成本低，便于加工，为sspps器件的小型化和高度集成化。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型设计的模式转化装置结构图；

图2为采用本实用新型模式转化装置加载的低通滤波器模型；

图3为本实施例低通滤波器模型的尺寸示意图；

图4为三种过渡结构下的滤波器反射系数；

图5为五个不同位置的法向电场分量分布图；

图6为五个不同位置的方位角分量的电场分布图；

图7为滤波器s参数的测试结果和仿真结果对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图7，图1给出了模式转化装置7的结构，其设计过程为：首先只是一根传输线，然后在传输线的两侧分别加载两个直角三角形的贴片来改善工作频段内的反射系数，最后在两个三角形贴片处加载旋转了θ角度的矩形条带来改善其边带选择性。

为了直观地看出模式转化装置7的性能好坏，本实施例将最普遍的sspps低通滤波器中的传统模式转化结构代替为图1中的新型模式转化装置，如图1所示。从图2中也可以看出sspps器件的组成一般有三部分：第一部分：传输线结构6；第二部分：模式转化装置7；第三部分：spps结构8。图4给出了三种模式装换结构的s11曲线图，从图4中也可以看出只有传输线结构时，匹配很差，滤波器无法正常工作。而加载了两个直角三角形的贴片后，该贴片结构可以在一定程度上引导电磁波的传输，减少电磁能量的损耗，此时滤波器的滤波效果得到了大幅度的提升，通带内的s11较好，但是边带选择性有待改善。因此又加载了两个有一定倾斜角的矩形条带结构，这种新的过渡结构可以解决前面两个结构出现的问题，s11在-20db以下，边带也很陡峭，有良好的边带选择性，满足设计要求。

从图4中可以看出加载新型模式转换装置的滤波器性能很不错，但是无法看到是否完成了模式的转换，因此，在图4和图5分别给出了频率为7ghz时图2中五个不同位置处垂直于模式转换装置的平面上的电场法向分量()和方位角分量()，从图5中的平面1可以看出微带线中的准tem波的正态分量非常小，可以忽略不计，电场主要集中在图6中平面1的方位角分量上。随着电磁波通过模式转化结构的2、3、4平面，电场的法向分量逐渐增大，而方位角分量减小。电磁波传输到spps结构后，电场的主要分量为电场的正态分量，如图5的平面5所示。这一系列电场法向分量和方位角分量随滤波器不同位置的变化而变化的过程就是过渡结构有效地将微带线中的准tem波转换为sspps中tm波的过程。

实施例1：

如图3所示，本实施例设计了一种小型化新颖模式转化装置，由两个直角三角形贴片和两个旋转了17°的矩形条带组成。直角三角形贴片可以调节频带内的匹配，它们的两直角边长分别为c1＝2.38mm，c2＝0.95mm；矩形条带可以改善边带选择性，它的长度b1＝6.6mm，宽度b2＝0.84mm。

利用上述模式转化装置设计一种滤波器结构，其中传输线结构6、模式转化装置7和sspps结构8均由厚度为0.035mm的金属铜箔，介质板由厚度为0.5mm，介电常数为2.65，损耗角正切为0.003的聚四氟乙烯玻璃布板(f4b)。其中，传输线结构长度l1＝3.5mm；模式转化装置的长度l2＝6.72mm；sspps结构中，l3＝27.08mm，h＝1.6mm，p＝0.8mm，介质板的尺寸为47.5mm×7.47mm。

根据上述尺寸制成滤波器实物，用av3672e矢量网络分析仪对滤波器实物模型进行了测试，在图7中比较了测试结果和仿真结果的差异，可以看出在4ghz-13ghz的频段，测试结果比仿真结果差了6db左右，但是在整个工作频段内的变化情况吻合较好。图5和图6分别给出了五个不同位置处的法向电场分量和方位角电场分量的分布图，从图中可以清晰的看出微带线中传输的是准tem模，经过模式转换装置后，就将准tem模转换为tm模，达到了模式转换的效果。

由此可见，本实用新型的性能不错，为了更直观的看出它是否做到了小型化，将本实施例与已有的文献做了对比，如表1所示。在性能方面，我们设计的滤波器性能比其他四款的性能要好，接下来重点比较一下模式转换装置的尺寸，现有文献[1]-[4]的模式转换化装置的面积分别为2425mm²、81mm²、2032mm²和1260mm²，而本实施例的尺寸仅为50mm2，比文献中的最大尺寸减小了97.9％，比现有文献中的最小尺寸也减少了38.3％，达到了模式转化换设备小型化的目的。

表1本实施例与现有文献的对比

本实用新型完全做到了小型化，且技术指标优良，成本低，便于加工，为sspps器件的小型化和高度集成化提供一个重要途径。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。