本发明属于微波集成电路和器件技术领域，尤其涉及一种基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法。
背景技术：
表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons,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。由于在可见光频段，金属具有负的介电常数，其内部的自由电子呈等离子态，所以在金属表面存在着自然状态下的表面等离激元。但是在更低的频率下，如微波频段，金属表现为理想电导体而不是等离子体。为了在红外频率以下激发表面等离激元，等离子体超材料的概念应运而生。现有的一种超薄的等离子体波纹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大多是基于偶模的，关于奇模人工表面等离激元激励及传输的研究少之又少。对于现有的技术方案，存在传输损耗大的缺陷，而目前只能通过增加其他结构或者改变波导类型的方法才能激励出奇模。此项发明能够减小传输损耗，束缚性更强，在系统中能够有效减小串扰，在共形等应用方面有巨大的应用前景。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前人工表面等离激元传输大多是基于偶模的，关于奇模人工表面等离激元激励及传输的研究少之又少。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法。
本发明是这样实现的，一种基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法，所述基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法利用本征模方法分析互补梯形槽结构的色散特性，模拟光学频段自然存在的人工表面等离激元；构建奇模激励的微带过渡结构，得到在微波频段具有强束缚效应且能够支持奇模传输的人工表面等离激元波导。
进一步，所述基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法采用互补的梯形槽结构。
进一步，所述基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法采用微带-槽线耦合形式组成的馈电结构。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法的人工表面等离激元波导结构，所述人工表面等离激元波导结构设置有：
互补梯形槽单元；
所述互补梯形槽单元结构由镜像对称的两个梯形槽组成。
进一步，所述梯形槽深为d＝5mm，互补结构的间距为g＝1.5mm；梯形槽的上下底边分别为a1＝0.6mm,a2＝3mm；单元结构的周期为p＝5mm。
本发明的另一目的在于提供一种采用所述基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法的等离子体超材料。
本发明提供的互补结构的人工表面等离激元传输线，单元结构由在金属槽线上刻蚀两个互补的梯形槽组成，根据本征模仿真分析色散特性可知，其色散曲线随着频率升高逐渐偏离光线并且趋近于特定的截止频率。表明本发明所提出的结构可以实现人工表面等离激元模式。相比于传统的矩形槽结构，梯形槽结构可以实现较强的场束缚效应。
本发明利用微带与槽线耦合的激励方式，在槽线上激励其奇模模式，通过渐变的梯形凹槽及逐渐变宽的槽线线宽实现槽线与人工表面等离激元结构的阻抗匹配与波矢匹配。
与现有技术相比，本发明有以下优势：
本发明利用互补梯形槽结构实现微波频段的人工表面等离激元奇模传输形式，场束缚效应明显，有利于集成低串扰人工表面等离激元器件电路；馈电结构简单，加工方便，成本低，重量轻。传统的奇模馈电结构需要复杂的馈电网络实现阻抗匹配。相比之下，本发明使用的单层微带结构制作工艺相对简单，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。从低频到截止频率的频段内，人工表面等离激元传输线的传输系数大于-1.5db而反射系数低于-10db,显示了其宽带高效特性。本发明所采用的介质基板厚度仅为0.813mm，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。
本发明的新型人工电磁材料是指一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质，通过改变单元结构及其空间排列来达到控制材料电磁特性的目的；通过人工设计其单元结构，可以控制材料的等效介电常数、磁导率、折射率、波阻抗等电磁参数，实现自然界存在的材料所不具有的性质。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的互补梯形波纹结构的人工表面等离激元波导及具体结构尺寸示意图。
图3是本发明实施例提供的不同梯形底边长度对应的人工表面等离激元波导的色散曲线对比示意图。
图4是本发明实施例提供的传统微带电路与人工表面等离激元波导的过渡段示意图。
图5是本发明实施例提供的人工表面等离激元过渡结构的全波仿真s参数示意图。
图6是本发明实施例提供的人工表面等离激元波导在不同频率下的电场仿真近场示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用互补梯形槽实现人工表面等离激元传输，通过偶模微带激励到波导的过渡，实现人工表面等离激元的奇模激励，用于微波频段的表面波传输，属于新型人工电磁材料领域。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于互补梯形槽实现奇模人工表面等离激元导波的方法包括以下步骤：
s101：利用本征模方法分析互补梯形槽结构的色散特性，模拟光学频段自然存在的人工表面等离激元；
s102：构建奇模激励的微带过渡结构，得到在微波频段具有强束缚效应且能够支持奇模传输的人工表面等离激元波导。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
图2是本发明提出的新型人工表面等离激元波导结构尺寸示意图。互补梯形槽的单元结构是由镜像对称的两个梯形槽组成，结构的位置关系有槽深d＝5mm，互补结构的间距为g＝1.5mm，梯形槽的上下底边分别为a1＝0.6mm,a2＝3mm.单元结构的周期为p＝5mm。其中参数设计的位置效果是能够用来调节人工表面等离激元的截止频率。
图3是利用商用软件cst微波工作室中的本征模求解器求得的具有不同底边宽度a2的单元结构对应的色散曲线。与光线的色散曲线对比可知，所有的开槽结构其色散曲线随频率增大均明显偏离光线且趋近于各自不同的截止频率，表明梯形槽结构具有人工表面等离激元特有的场束缚效应。而且相比于一般的矩形槽结构，梯形槽结构的场束缚能力更加显著。
图4是本发明提供的新型等离子体波导的馈电及过渡结构。微带-槽线耦合的馈电方式可以在槽线上激励起明显的奇模模式，通过渐变的槽线线宽和梯度渐变的凹槽，实现了不同传输线结构间的阻抗匹配及模式转换。
图5、图6分别给出了利用cst微波工作室的全波仿真得到的新型人工表面等离激元波导的散射参数s21和s11以及3ghz、4ghz、5ghz和6ghz下对应的电场近场分布图。由仿真结果可知，传输系数s21在通带内可以达到-1.5db而反射系数s11低于-10db，表明其在通带内良好的传输特性。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，并且镜像对称的波导结构上的电场香味是恰好相反的，表明其传输的正是奇模。
本发明通过在印制于超薄介质基片的金属刻蚀凹槽实现了微波频段的人工表面等离激元的传输，并且互补结构可以支持高效的奇模传输。通过本征模式仿真可知梯形槽结构的色散特性十分明显，相比于传统的矩形槽结构，其表面等离激元的场束缚效应更加明显，因而有利于实现电路的高度集成。由渐变梯度的刻槽结构组成的过渡段在传输偶模的微带和传输奇模的人工表面等离激元之间充当阻抗匹配和模式转换的作用。微带-槽线耦合的奇模激励方式结构简单，宽带且高效。数值仿真结果也表明了本发明提供的基于互补梯形槽结构的人工表面等离激元波导具有较高的传输效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。