CN105048044A - 基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，包括介质基片，介质基片的正反两面分别设置有两根金属片，每一金属片包括若干波导单元；位于同一面上的两根金属片成镜面对称，从金属片的任一端口向金属片中点的方向，至少包括顺次设置的过渡段、渐近段和周期结构段；在过渡段，波导单元的凹槽深度从零逐渐增加到预定值，在渐近段，波导单元的凹槽深度为预定值，波导向对称轴线逐渐靠近，在周期结构段，波导单元的凹槽深度为预定值且到对称轴线的距离相等；位于不同面上的金属片，波导单元的位置上下对应，开口方向相反。本发明解决了邻间互耦问题，增强了抗干扰能力，而且节省电路面积，可以制作共型电路，具有很好的应用前景。

Description

基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线及电路

技术领域

本发明属于人工电磁材料领域，特别是基于人工表面等离激元的可通过自身结构减少临间耦合的传输线。

背景技术

在光波段，表面等离激元波是一种在金属与介质交界面产生的一种特殊的表面波。这种表面波的产生是由于位于金属内的自由电子与介质中的电磁波相互作用形成等离子震荡。因为这种特殊的产生机制使得这种表面等离激元拥有十分特殊的物理特性，其中主要有如下两个性质：深度亚波长效应和场局域效果。因此这一种特殊的电磁波模式在新型光学器件具有重要的应用价值，从而也引起了很多领域的科学家们的关注。

但是相关的技术很难直接运用在更低的频段(微波和太赫兹频段)，这是因为在低于远红外的频段内，金属多表现为完美导电体而不是等离子体性质。但是经过科学家的研究，可以通过人工电磁媒质的思想通过构建相应的人工超材料，来实现表面等离激元性质。这种表面等离激元波由于其固有的场局域、场增强和亚波长性质可以实现诸如器件小型化以及多种潜在的应用，因此，这种传输线是下一代电路***的希望之一。

而不产生额外成本(如不需要额外电路安排)的抑制传输线临间耦合方案对于现代集成化电路十分重要，因为对于现代高度集成的现代***需要在很小的空间内集成较多的传输线，因此传输线之间的相互干扰将会极其严重，以至于破坏信号完整性。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种可抑制临间串扰的波导型传输线，以减少相邻波导之间的互耦，并进一步提供一种基于上述波导型传输线的电路。

技术方案：一种可抑制临间串扰的波导型传输线，包括介质基片，所述介质基片的正反两面分别设置有两根金属片，每一金属片包括若干波导单元；位于同一面上的两根金属片成镜面对称，从金属片的任一端口向金属片中点的方向，至少包括顺次设置的过渡段、渐近段和周期结构段；

在过渡段，波导单元的凹槽深度从零逐渐增加到预定值，在渐近段，波导单元的凹槽深度为预定值，波导向对称轴线逐渐靠近，在周期结构段，波导单元的凹槽深度为预定值且到对称轴线的距离相等；

位于不同面上的金属片，波导单元的位置上下对应，开口方向相反。

在进一步的实施例中，所述介质基片的介电常数为2.2。损耗正切角为0.0009。厚度为0.508mm。所述波导单元呈ㄩ型。在渐近段和周期结构段，所述波导单元的凹槽深度为1.2～2.0mm。

一种电路，包括上述任一种可抑制临间串扰的传输线。

一种基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，包括介质基片及设置于介质基片一侧的、各自包含若干波导单元的两根金属片，每根金属片具有一垂直于长度方向的第一对称轴；从金属片的一端至另一端，波导单元凹槽的深度从零增加到预定值，形成一段槽深相等的结构后，再从预定值减小至零；

两根金属片具有一沿长度方向延伸的第二对称轴，两金属片的端部相互平行，其中部相互靠近并形成一段相互平行的周期重复结构；

在介质基板的另一侧对应设置有形状位置对应且波导单元凹槽开口方向相反的金属片。在进一步的实施例中，所述波导单元的凹槽深度为1.2～2.0mm。所述波导单元呈ㄩ型。

有益效果：

1.本发明通过物理基础的改善，直接在基础传输线就解决了邻间互耦问题，增强了抗干扰能力。

2.相较于其他电路级别的技术，本发明无需额外的附加电路结构，可以节省电路面积，简化电路结构。

3.相较于微波段其他的传输线，由于本发明采用表面波传输能量可以方便的制作共型电路，具有较强的应用前景。

4.相比于传统传输线其传播常数并不能随意调节，本发明的传输线可以通过其不同的单元结构来调节，因此可以通过调节缺陷深度来实现传播常数的调节。

附图说明

图1a至图1c分别是本发明波导单元的正面、反面和侧面的结构示意图。

图2a至图2b分别是本发明正面和反面的结构示意图。

图3为本发明的S参数测试图。

图4是在不同缺陷深度下的传播常数图。

具体实施方式

如图1a至图2b所示，本发明可抑制临间串扰的波导型传输线主要包括介质基片1以及位于介质基片正反两面的中间逐渐靠近的金属光栅状铜箔波导。

具体地，所述介质基片的正反两面分别设置有两根金属片2，每一金属片至少包括若干波导单元2a；位于同一面上的两根金属片成镜面对称，从金属片的任一端口向金属片中点的方向，至少包括顺次设置的过渡段21、渐近段22和周期结构段23。

如图2a和图2b所示，两根铜箔位于同一平面，在长度方向上具有一对称轴，同时铜箔自身为对称结构，其对称轴位于中点处，与长度方向垂直。由于该实施例为平面结构，因此还可以说位于同一平面上的两根波导成中心对称。若为非平面结构，则对称轴线为曲线。

如图2a或图2b所示，在过渡段，波导单元的凹槽深度从零逐渐增加到预定值，在渐近段，波导单元的凹槽深度为预定值，波导向对称轴线逐渐靠近，在周期结构段，波导单元的凹槽深度为预定值且到对称轴线的距离相等。

如果从波导的一个端口向另一端口的方向，其结构依次为第一过渡段、渐近段、周期结构段、渐远段和第二过渡段。在第二过渡段，波导单元的凹槽深度从预定值逐渐减小至零。在渐远段，波导单元逐渐远离对称轴线。

在该实施例中，过渡段和周期性结构段与对称轴线平行。

位于不同面上的金属片，波导单元的位置上下对应，开口方向相反。

在进一步的实施例中，所述波导单元呈ㄩ型，如图1a或图1b所示，当然根据设计需要，技术人员可以采用其他形状。

本发明是基于人工设计的表面等离激元结构周期排列而成。其中介质基板使用的是RogersRT5880，其相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009。其上结构通过印刷电路板技术加工而成，其中上下两根波导构成镜像对称关系。其单元周期为2.4mm，缺陷宽度为0.96mm，缺陷深度为1.92mm，波导高度为2.4mm。这种特殊的周期结构使得结构整体表现为负介电材料，因此可以支持表面等离激元波的传输。由于表面等离激元具有高度场局域的效果，因此其可以将场能量高度局域在结构的周围，而不影响周围的传输线，因此可以用此原理，来减小传输波导之间的邻间耦合。

对于两根相互靠近的波导，其传输能量比(T)和耦合能量比(C)可以通过下面的等式进行描述：

$\left\{\begin{array}{c}T={\cos }^2\left(\mathrm{\κL}\right)e^{-2\mathrm{\αL}}\\ C={\sin }^2\left(\mathrm{\κL}\right)e^{-2\mathrm{\αL}}\end{array}\right.$

其中，L表示耦合长度,α是损耗常数,以及κ频率相关的耦合系数。其中，针对SPP表面波导其耦合系数可以表示为：

$\mathrm{\κ}=\frac{{\mathrm{\ω\ϵ}}_0}{4}{\∫\∫}_{R^2}(n^2-n_0^2)[E_{1t}^{*}\·E_{2t}+\frac{n_0^2}{n^2}{E}_{1n}^{*}\·E_{2n}]\mathrm{dS}$

其中，n和n₀表示周围空间和波导的等效折射律。以及E_jt和E_jn(j＝1,2)分别表示波导j的切向和法向电厂分布。由此可以发现两根波导之间的互耦是由于其靠近波导间的场分量重叠。因此，场束缚特性有助于抑制邻近波导之间的耦合。

如图3所示，采用矢量网络分析仪进行测试，其中矢量网络分析仪的一端口与任意一个端口相连，2端口依次连接于其他三个端口，除连接矢网的端口均连接匹配负载，并由此得到测试结果。

从图3所示的结果中我们可以分析得到，这种方案对于波导邻间耦合具有较好的抑制作用在较宽频带内可比微带抑制10dB，对于特定的窄频带甚至可以达到抑制40dB以上的量。

通过***的测试可知，该装置验证了这种传输线，在较宽频带内对邻近波导间互耦的抑制，这使得其在应用方面具有很大的运用前景。

该实施例中实验装置由印刷电路按照图2a和图2b中所示结构加工所成。所用的介质板材为RogersRT5880，其介电常数为2.2，损耗正切角约为0.0009，厚度为0.508mm。表面覆铜厚度为0.018mm。

为了方便测试，四个端口均由平滑过度结构过度到微带，端口分别焊接一个标准的SMA接头，使得整个***匹配与50欧姆的同轴波导。

如图4所示，本发明的传输线可以通过其不同的单元结构来调节，例如可以通过调节缺陷深度来实现传播常数的调节。

总之，本发明提供了一种简单而有效的利用人工表面等离激元波的抑制波导邻间耦合方案。本发明的结构具有良好的场束缚特性，方便被制作成曲面共型电路，拥有很高的实用价值。本发明将两根逐渐靠近的人工表面等离激元波导结构制作在一个平面电路上用以验证其去耦合的性质，S参数测量有效的验证了其可以实现高效的邻间耦合抑制。该方案仅通过简单的结构，却可以没有任何附加电路的面积的情况下，在很宽的带宽内，高效实现邻间波导互耦抑制功能。

本发明仅靠自身结构抑制传输线临间串扰的技术，对于现代集成电路和***均有重要促进意义。这种特殊的装置是由人工设计的结构、介质衬底而成，可以在宽频带内实现靠近的传输线之间仅有可以忽略不计的互耦。表面等离激元波导在可弯折电路、亚波长电路中具有巨大的潜在应用。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，包括介质基片（1），其特征在于，所述介质基片的正反两面分别设置有两根金属片（2），每一金属片包括若干波导单元（2a）；位于同一面上的两根金属片成镜面对称，从金属片的任一端口向金属片中点的方向，至少包括顺次设置的过渡段（21）、渐近段（22）和周期结构段（23）；

在过渡段，波导单元的凹槽深度从零逐渐增加到预定值，在渐近段，波导单元的凹槽深度为预定值，波导向对称轴线逐渐靠近，在周期结构段，波导单元的凹槽深度为预定值且到对称轴线的距离相等；

位于不同面上的金属片，波导单元的位置上下对应，开口方向相反。

2.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，所述介质基片的介电常数为2.2。

3.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，所述介质基片的损耗正切角为0.0009。

4.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，所述介质基片的厚度为0.508mm。

5.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，所述波导单元呈ㄩ型。

6.如权利要求1至5任一项所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，在渐近段和周期结构段，所述波导单元的凹槽深度为1.2~2.0mm。

7.一种电路，其特征在于，包括权利要求1~6任一项所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线。

8.一种基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，包括介质基片及设置于介质基片一侧的、各自包含若干波导单元的两根金属片，每根金属片具有一垂直于长度方向的第一对称轴；从金属片的一端至另一端，波导单元凹槽的深度从零增加到预定值，形成一段槽深相等的结构后，再从预定值减小至零；

两根金属片具有一沿长度方向延伸的第二对称轴，两金属片的端部相互平行，其中部相互靠近并形成一段相互平行的周期重复结构；

在介质基板的另一侧对应设置有形状位置对应且波导单元凹槽开口方向相反的金属片。

9.如权利要求8所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，所述波导单元的凹槽深度为1.2~2.0mm。

10.如权利要求8所述的基于人工表面等离激元波的抑制临间耦合的传输线，其特征在于，所述波导单元呈ㄩ型。