一种基于人工表面等离激元的陷波共面波导的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于人工表面等离激元技术领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的陷波共面波导结构。
【背景技术】
[0002]人工表面等离激元是一种被约束在人工电磁结构表面进行传播的电磁波模式，传统表面等离激元的研宄曾一度被局限于光波段或是更高的频率上，人工表面等离激元是将表面等离子激元的概念推广到低频段(微波或太赫兹波段)的产物，它有助于获得高约束性的微波或太赫兹信号的导波技术，并将低频段的器件尺寸减小到亚波长量级以实现高度集成。人工表面等离激元通常是在金属表面挖孔或刻槽的方法，不仅能增加电磁场在金属内的渗透能力，还可以实现场的亚波长约束，而且结构表面的等效等离子频率与表面结构的几何参数有关，从而可以在较低频率对表面等离激元进行工程设计，为亚波长周期性金属结构在微波或太赫兹成像，高分辨率医学内窥镜技术、生物检测、环境检测和信息与雷达通信技术等领域的应用开拓了广阔的前景。
[0003]共面波导作为一种性能优越、加工方便的微波平面传输线，在单片微波集成电路中正发挥越来越大的作用，尤其到了毫米波频段，共面波导更拥有微带线所不可比拟的性能优势。与常规的微带传输线相比，共面波导具有容易制作，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联(不需要在基片上穿孔)，容易提高电路密度等优点。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明所要解决的技术问题是提供一种陷波型共面波导结构，不仅能实现信号的传输，而且能在传输频带内产生一个阻带，形成陷波共面波导。
[0005]为解决上述问题，本发明将支持人工表面等离激元的金属周期结构与支持空间波的共面波导结构结合，设计出一种基于人工表面等离子的陷波共面波导。本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于:主要由共面波导及设置在共面波导介质基板另一表面的金属条带构成，所述金属条带由沿金属条带长度方向周期性分布的金属栅格阵列构成。
[0007]优选地，位于中心处的金属栅格的高度小于其他金属栅格的高度。
[0008]本发明实际由介质基板层和两层金属箔层制作而成，介质基板为矩形直板，金属箔层分别印制于介质基板的两侧表面上；一侧的金属箔层刻蚀成共面波导结构，中心导带和两侧接地带的走向与金属箔层的中心线平行。另一侧的金属箔层形成一个金属条带，由沿长度方向周期性分布的金属栅格构成，金属栅格的周期保持不变，中心处的金属栅格高度小于其他金属栅格的高度。
[0009]本发明在深入研宄人工表面等离激元的基础上，根据金属亚波长周期结构中不同的模式有着不同的色散曲线，高次模式的色散曲线和低次模式的色散曲线之间存在一个带隙，通过基板背面的金属栅格最中间处，其高度小于周围其他栅格的结构，相当于在带隙内引入缺陷结构，当共面波导的信号传输到此处时，能量在缺陷处发生谐振，信号不能传输，形成陷波特性。
[0010]本发明适合与传统微波或太赫兹传输线匹配使用，为陷波器件设计及应用提供一种全新的思路和方案。
[0011]本发明具有如下有益效果:
[0012]1.本发明主要提出一种基于人工表面等离子的陷波共面波导，包括传统的共面微带传输线和在基板另一侧刻有周期性亚波长金属栅格阵列。这种设计结构一方面利用共面波导的优越传输性能，另一方面利用人工表面等离子波导的可调谐色散特性，实现了信号传输的陷波抑制的效果。可以使得未来的陷波器件或天线设计过程中，不必设计额外的带阻滤波器，进而在微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性，
[0013]2.结构简单:结构包括传统的共面微带传输线和在基板一侧刻有周期性亚波长金属栅格阵列的金属条带，构造简单紧凑，方便加工。
[0014]3.创新性强，技术前瞻性好:本发明在微波或太赫兹频段利用人工表面等离子波导和共面波导的结合，实现了陷波特性，创新性强，国内外未见此类结构；其可很好的与传统微波传输线配合使用，便于集成到微波电路中，拓展了人工表面等离子器件的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
[0015]4.陷波性能强:本发明除去陷波处，4GHz-14GHz的S21均在-0.5dB以上，表示信号以很小的损耗通过共面波导，在陷波频段外的电磁波传输不受影响。在8.97GHz处产生陷波，陷波频段在8.95GHz?8.99GHz，在陷波频段范围内，S21小于-10dB。
【附图说明】
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[0016]图1(a)是实施例一的波导俯视结构图；
[0017]图1(b)是实施例一的波导仰视结构图；
[0018]图1(c)是实施例一的波导侧视结构图
[0019]图1(d)是无缺陷情况下的波导仰视结构图
[0020]图2是人工表面等离激元第一和第二模式的色散曲线图；
[0021]图3(a)是无缺陷金属栅格情况下对应的S参数曲线图。
[0022]图3(b)是有缺陷金属栅格情况下对应的S参数曲线图。
【具体实施方式】
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[0023]下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:
[0024]实施例一
[0025]如图1 (a)、(b)、(C)所示，陷波共面波导由两个部分组成。第一部分为传统的共面微带传输线；第二部分为人工表面等离子波导，即介质基板另一侧的金属条带，由亚波长金属栅格阵列构成，金属栅格阵列沿金属条带长度方向(X方向)及宽度方向(y方向)均呈对称结构，且周期不变。金属栅格的形状如图1(b)中虚线框内所示，由一横条带(X方向)和一竖条带(y方向)交叉构成，形如“十”字型(金属条带两端分别以竖条带为边界)。除结构中心处的金属栅格以外，其他金属栅格的结构参数是一致的，中心处的金属栅格高度小于其他金属栅格。作为对照例，如图1(d)所示，无缺陷的情况下全部金属栅格的高度是相同的。
[0026]实施例二
[0027]如图1(a)所示结构为传统的共面微带传输线，长度为I = 150毫米，中心带W1 =10毫米，接地带宽度为W2= 20毫米，中心带和接地带的间隔为g = 0.5毫米，金属层厚度t1= 0.018毫米，中间位置的微带传输线作为导波信号的输入端。
[0028]如图1(b)所不结构为基板另一表面的刻有周期性亚波长金属栅格阵列的金属条带作为人工表面等离激元信号传输的载体，金属条带的厚度与共面波导金属层厚度相等为
0.018毫米，沿基板长度方向共有39个金属栅格结构，虚线框内为单个金属栅格单元。周期数一般设置为奇数个，以方便在最中间处设置缺陷结构。其中周期为P = 3.2毫米，槽宽Sb= 1.6毫米，最中间的栅格的高度为h2= 3.3毫米(这里的高度指金属栅格单元中的竖条带的一半)，其余的栅格高度均为h = 4.6毫米，金属栅格单元中的横条带的宽度为w 3=I毫米。
[0029]如图1(c)所示结构为本发明波导的侧视结构图，基板厚度、=0.93毫米，介电常数为3.5，金属层的厚度t1= 0.018毫米。
[0030]如图1 (d)所示结构为无缺陷结构仰视结构图，与图1 (b)相比，金属栅格的结构尺寸均保持一致，其他参数和图1(b)完全相同。
[0031]人工表面等离激元的不同模式有着不同的色散曲线，在基模和高次模之间存在一个带隙(如图2中所示，8.3GHz-17GHz);同时，由于人工表面等离激元的等离子体频率受表面几何结构控制，主要受栅格高度的影响，所以我们利用人工表面等离子波导有可调谐色散特性，在最中间处设置一个高度明显小于其他栅格的金属栅格结构，通过这种方式实现了特定频率的局域表面等离激元共振，从而在带隙相应频率范围内引入了一个点缺陷。
[0032]根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图3所示的高效性能，通过对比有缺陷和无点缺陷情况下的S参数仿真结果，在引入缺陷之前，观察图3(a)，发现背板的金属结构对共面微带传输线的传输效果是影响很小的，整个观察频带内都是可以传输的，S21均在-0.5dB以上，Sll均在-15dB以下；通过在金属周期结构中引入缺陷的金属栅格以后，观察图3 (b)，在中心频率8.97GHz处产生陷波，陷波频段在8.95GHz?8.99GHz，在陷波频段范围内，S21小于-10dB，而在陷波频段外的范围内，S21均大于-0.5dB，Sll均小于-1OdB,电磁波传输性能受到的影响很弱。
[0033]总之，本发明实现了基于人工表面等离激元的陷波共面波导，在带外可以高效的传输信号，带内形成陷波，具有很好的阻带特性，产品容易加工，在很大程度上能适应工程上的需求。
【主权项】
1.一种基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于:主要由共面波导及设置在共面波导介质基板另一表面的金属条带构成，所述金属条带由沿金属条带长度方向周期性分布的金属栅格阵列构成。2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于位于中心处的金属栅格的高度小于其他金属栅格的高度。3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于共面波导中，位于中心导带两侧的接地带宽度相等。4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于:金属条带长度小于介质基板的长度。5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于所述金属栅格阵列沿金属条带宽度方向及长度方向均对称分布。6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于共面波导金属层的厚度与金属条带的厚度相等。7.根据权利要求1-6任一所述的基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于:共面波导的任意一端作为导波信号的输入端，另一端作为输出端。
【专利摘要】本发明公开一种基于人工表面等离激元的陷波共面波导，其特征在于：主要由共面波导及设置在共面波导介质基板另一表面的金属条带构成，所述金属条带是由沿金属条带长度方向周期性分布的金属栅格构成。本发明可以通过改变金属栅格的尺寸，在共面波导的工作频带中引入一个较窄的阻带，该设计思想使得共面波导在不需设计额外的带阻滤波器的情况下，实现陷波功能，具有结构简单、尺寸紧凑、陷波性能好、易加工等优点，尤其适合与传统微波或太赫兹传输线匹配使用。
【IPC分类】H01P3/18
【公开号】CN104993203
【申请号】CN201510359153
【发明人】李茁, 许秉正, 宁苹苹, 刘亮亮, 陈新蕾, 顾长青, 陈晨, 徐佳
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月25日