一种人工表面等离子体激元与微带线的转换结构和方法与流程

surface plasmon polaritons low-pass filter with a novel transition structure[j].ieee photonics technology letters,2019,31(15):1273-1276.


技术实现要素：

[0008]
鉴于此，本发明实施例提供了一种人工表面等离子体激元与微带线的转换结构和方法，此结构不需要引入额外的金属贴片，且结构紧凑，可以实现器件的小型化，应用于毫米波、太赫兹频段时损耗较小且加工难度低，以克服现有技术存在的问题。
[0009]
本发明的一个方面提供了一种人工表面等离子体激元与微带线的转换结构，该结构包括金属贴片和过渡微带线；所述金属贴片为宽度递增的阶梯形结构，金属贴片的宽度为垂直于电磁波传播方向的金属贴片的尺寸；所述金属贴片宽度较小的一侧与微带线相连接，所述金属贴片宽度较大的一侧连接所述过渡微带线；所述过渡微带线一侧连接所述金属贴片，另一侧连接人工表面等离子体激元。
[0010]
在本发明的一些实施例中，所述人工表面等离子体激元包含多个人工表面等离子体激元单元，所述人工表面等离子体激元单元的中心带线宽度和所述微带线馈线宽度大小相同。
[0011]
在本发明的一些实施例中，所述金属贴片的材质为金，厚度为1μm。
[0012]
在本发明的一些实施例中，所述金属贴片的阶梯形结构至少包含两层阶梯。
[0013]
在本发明的一些实施例中，所述金属贴片为三层等长的阶梯形结构。
[0014]
在本发明的一些实施例中，其特征在于，所述金属贴片为中空的。
[0015]
在本发明的一些实施例中，所述金属贴片附着在介质板的正面，所述介质板的材质为高阻硅。
[0016]
在本发明的一些实施例中，所述介质板的背面为一层金属地面所覆盖，所述金属地面材质为金属，厚度为1μm。
[0017]
本发明另一方面提供了一种基于上述任一项所述人工表面等离子体激元与微带线转换结构的转换方法，其特征在于：当电磁波从微带线传播到人工表面等离子体激元，所述金属贴片接收来自微带线的电磁波，再传播到过渡微带线，所述过渡微带线将电磁波传播到人工表面等离子体激元；当电磁波从人工表面等离子体激元传播到微带线，所述过渡微带线接收来自人工表面等离子体激元的电磁波，再传播到金属贴片，所述金属贴片将电磁波传播到微带线。
[0018]
本发明的人工表面等离子体激元与微带线的转换结构，实现了微带线和sspps之间的模式匹配和转换，不需要引入任何额外的金属贴片，便于不同器件之间的集成且加工难度低，且结构紧凑、尺寸小，可以实现器件的小型化。应用于毫米波、太赫兹频段时损耗较小且加工难度低。
[0019]
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
[0020]
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述效果和其他目的。
附图说明
[0021]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
[0022]
图1为本发明一实施例中sspps与微带线转换的背靠背总体结构平面图。
[0023]
图2为本发明一实施例中sspps与微带线转换的背靠背总体结构及尺寸平面图。
[0024]
图3为本发明一实施例中转换结构阶梯形金属片结构示意图。
[0025]
图4为本发明一实施例中sspps单元结构示意图。
[0026]
图5为本发明一实施例中各阶梯、转换结构、微带线和sspps单元色散曲线。
[0027]
图6为本发明一实施例中170ghz时不同位置处电场强度矢量分布图。
[0028]
图7为本发明一实施例中sspps与微带线转换的背靠背总体结构s参数。
[0029]
图8为本发明又一实施例中阶梯形金属带构成的转换结构。
[0030]
图9为本发明又一实施例中一种阶梯形金属带构成的转换结构s参数。
[0031]
图10为本发明又一实施例中阶梯形金属带构成的转换结构。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0033]
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0034]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0035]
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
[0036]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
[0037]
为解决现有的人工表面等离子体激元与微带线的转换结构存在的尺寸较大、器件集成度不高以及在毫米波、太赫兹频段应用困难的问题，本发明提供了一种人工表面等离子体激元与微带线的转换结构和方法。
[0038]
在本发明人工表面等离子体与微带线转换结构中，转换结构包括金属贴片和过渡微带线，所述金属贴片为宽度递增的阶梯形结构，金属贴片的宽度为垂直于电磁波传播方向的金属贴片的尺寸；所述金属贴片宽度较小的一侧与微带线相连接，所述金属贴片宽度较大的一侧连接所述过渡微带线；所述过渡微带线一侧连接所述金属贴片，另一侧连接人工表面等离子体激元。
[0039]
基于阶梯形的金属贴片，实现sspps与微带线的转换。阶梯形金属贴片在电磁波的传播方向上宽度很小，可以实现小型化，且其可以将sspps与微带线进行波矢量的匹配，从
而实现sspps与微带线的转换。此转换结构可以应用于毫米波、太赫兹频段的sspps与微带线的转换，损耗较小且加工难度低。
[0040]
图1为本发明一实施例中sspps与微带线转换的背靠背总体结构平面图。图中区域
①
为微带线馈线，
②
为本发明的转换结构，包含金属贴片和过渡微带线
③
为sspps部分，
④
为一个sspps单元。其中标注的a，b，c，d，e，f六个位置分别是微带线、阶梯1、阶梯2、阶梯3、过渡微带线和sspps在xy平面上的截面。其中x-y-z轴更好的表达结构的位置、尺寸和电磁波的传播方向。在本发明实施例中，总体结构是关于
③
的中心线对称的，但这种对称并非必要，其目的在于展示在实际应用时，由微带线转化到sspps，在sspps上传输一段时间，再转换为微带线的实际使用过程。
[0041]
在本发明实施例中，金属贴片的材质为金，厚度为1μm。本实施例为优选实施例，金属贴片的材质和厚度可依据实际情况进行调整，例如金属贴片的材料为铜，厚度为2μm，在实际设计时可以根据需要进行优选，通过调校、测试寻求最优解。
[0042]
在本发明实施例中，金属贴片为三层等长的阶梯形结构。金属贴片各阶梯的的长度指的是金属贴片沿电磁波传播方向的尺寸，金属贴片各阶梯的宽度指的是金属贴片垂直于电磁波传播方向的尺寸，本发明实施例为优选实施例，金属贴片的阶梯数目和实际宽度可依据实际情况进行调整，例如更改为4个阶梯，且阶梯长度可调整。
[0043]
在本发明实施例中，金属贴片附着在介质板的正面，介质为高阻硅，相对介电常数为11.62，损耗角正切为10-4，厚度为23μm。图1所示为介质板正面结构，介质板背面为一层金属地面所覆盖，其厚度为1μm，材料为金。本实施例为优选实施例，介质板可调整为其他材料和尺寸，结合实际情况进行调整。
[0044]
图2为本发明一实施例中sspps与微带线转换的背靠背总体结构及尺寸平面图，结构上与图1相同，但详细的标注了各个结构的尺寸。其中：
①
为微带线馈线，宽度为w1，长度为l1。
②
包括一个阶梯形金属贴片和一段微带线。金属贴片由三个阶梯组成，阶梯1、2、3的宽度分别为w
s1
，w
s2
，w
s3
，长度均为ls。过渡微带线宽度为w2，长度为l2。
③
为sspps组成的传输线，总长度为l3。
④
为一个h型sspps单元，尺寸由a,d,h,w3确定，其一个单元周期的长度为d+a*2，中心带线宽度w3设置为与微带线馈线宽度w1相同，因此不需要额外的阻抗匹配结构。图2中结构的具体尺寸总结于表1中。
[0045]
表1图1中总体结构的具体尺寸(单位：μm)
[0046][0047]
需要说明的是，以上尺寸仅作为优选实施例，并不限定本发明的尺寸，在实际生产过程中，依据微带线、人工表面等离子体激元结构的不同，可以进行适应性的调整。
[0048]
在本发明实施例中，人工表面等离子体激元包含多个人工表面等离子体激元单元，其中，人工表面等离子体激元单元的中心带线宽度和所述微带线馈线宽度大小相同，因此不需要额外的阻抗匹配结构。
[0049]
图1中
②
转换结构包含三个阶梯，是转换实现的关键组件，图3为本发明一实施例
中转换结构阶梯形金属片结构示意图。将图1中的结构
②
拆解为(a)阶梯1；(b)阶梯2；(c)阶梯3；(d)总体转换结构。图4为本发明一实施例中sspps单元结构示意图，如图4所示，几种单元周期均设置为sspps的周期d+a*2(160μm)，电磁波沿着z轴反方向(即β沿着-z方向，当β沿着+z方向时同理)。优选的，本发明实施例的转换结构长度为135μm，sspps单元周期长度为160μm，转换结构长度仅为0.84个sspps单元周期。本发明提出的阶梯形的sspps与微带线转换结构结构紧凑，缩短了转换结构的长度，可以在毫米波、太赫兹频段取得较低的损耗。
[0050]
下面从色散曲线的角度说明此转换结构的工作原理。使用hfss本征模式进行求解，将sspps单元、微带线、阶梯1、阶梯2、阶梯3、总体转换结构的色散曲线绘制于图5中。如图5所示，在同一频率下，微带线的相移常数小于sspps(相移常数用来表征电磁波沿单位长度均匀线路传输时的相移值)，因此两者之间模式不匹配。阶梯1、2、3逐渐增大了微带线的相移常数，最终总体转换结构的相移常数与阶梯3接近。阶梯形转换结构可以微带线的增大相移常数，同时由于相移常数不是突变的，而是经过阶梯逐渐变化，因此可以实现微带线与sspps之间的匹配。另外，优化阶梯后接入的宽度为w2，长度为l2的过渡微带线可以进一步提高转换结构与sspps的匹配效果。阶梯1、2、3的宽度和长度可以根据不同的sspps结构进行优化，表1中给出的数值仅作为示例。
[0051]
由图5展示的色散曲线可以看出，从微带线到阶梯1、阶梯2、阶梯3、过渡微带线(由通过了总体转换结构的色散曲线可以看出)的过程中，电磁波沿着z轴反方向传输，其色散曲线越来越趋近于sspps的色散曲线。
[0052]
下面从电场分布角度说明此转换结构的工作原理。图6为本发明一实施例中170ghz时不同位置处电场强度矢量分布图。其中a，b，c，d，f五个位置分别是微带线、阶梯1、阶梯2、阶梯3、sspps在xy平面上的截面，图片为灰度显示，趋近白色为电场强度较大区域，黑色为电场强度较小区域。hfss中可得到这五个位置在170ghz时的电场强度矢量分布，电场强度采用统一标度，如图6所示。其中，截面a处微带线传播准tem模式，电场主要集中在金属带附近；而在截面f处sspps中电场集中在y方向的两个边缘处。在阶梯处，即b
→c→
d的过程中，电场从微带线逐渐趋近于sspps的电场分布情况，因此可以实现模式的转换。
[0053]
在本发明实施例中，由于sspps的色散曲线特征，总体结构具有低通滤波特性，为验证此特性，使用s参数(scatter，散射参数)来描述传输通道的频域特性。图7为本发明一实施例中sspps与微带线转换的背靠背总体结构s参数。其中s11《-10db的带宽为86-169.5ghz(65.36％)，带内平均s21为-1.17db，s11为输入反射系数，即输入回波损耗，s21为正向传输系数。低频信号能正常通过，而超过设定临界值(如170ghz)的高频信号则被阻隔、减弱，验证了总体结构的低通滤波特性。
[0054]
在本发明一些实施例中，金属贴片的阶梯形结构的各阶梯为长方形结构或梯形结构，如图8和图10所示。
[0055]
在本发明一些实施例中，转换结构中的金属贴片的阶梯形结构至少包含两层阶梯。
[0056]
在本发明实施例中，如图1和图2所示，转换结构中的金属贴片为三层等长的阶梯型结构。
[0057]
在本发明一些实施例中，阶梯数目不一定为3，此处选择3个阶梯是为了能够实现匹配的情况下尽量减小转换段长度，使结构更加紧凑。且金属贴片的各阶梯不一定等长，可
以依据实际情况进行设计。
[0058]
在本发明一些实施例中，金属贴片的结构可以为中空的，如图8所示，图9为图8的转换结构的s参数，s11《-10db带宽为85-167.2ghz，同样的证明了其低通滤波特性。
[0059]
本发明另一方面提供了一种基于上述任一项所述人工表面等离子体激元与微带线转换结构的转换方法，其特征在于：当电磁波从微带线传播到人工表面等离子体激元，所述金属贴片接收来自微带线的电磁波，再传播到过渡微带线，所述过渡微带线将电磁波传播到人工表面等离子体激元；当电磁波从人工表面等离子体激元传播到微带线，所述过渡微带线接收来自人工表面等离子体激元的电磁波，再传播到金属贴片，所述金属贴片将电磁波传播到微带线。
[0060]
因为人工表面等离子体激元的相移常数高于微带线的相移常数，金属贴片的阶梯形结构会将来自微带线的电磁波的相移常数随阶梯宽度递增而增大，或将来自人工表面等离子体激元的电磁波的相移常数随阶梯宽度递减而减小，过渡微带线起到过渡的作用，使微带线和人工表面等离子体激元在电磁波传输模式的转变上更加适配。
[0061]
在本发明一实施例中，当电磁波沿z轴反方向传播时，
①
的左侧为端口1，能量馈入微带线后，进入
②
的转换结构，经过阶梯形金属贴片和一段微带线之后转换为sspps的模式，接着进入
③
，再进入
②
的转换结构，经过一段微带线和阶梯形金属贴片之后转换为微带线模式，最后进入
①
，从右侧的端口2输出。电磁波向正z方向传播时与上述过程完全相同。结合图3可知，在阶梯高度增大时单元的相移常数相应增大。转换结构需要将微带线匹配到相移常数较高的sspps，因此在匹配结构中需要使相移常数不断增加，即阶梯高度依次增大。转换结构
②
的尺寸和比例可以根据仿真进行优化。当电磁波沿z轴方向传播时，从sspps转化到微带线，方法同理。
[0062]
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0063]
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
[0064]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。