专利摘要

本发明公开了一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，属于人工表面等离子体、波导技术领域，适用于微波频段的人工表面等离子体器件或电路中。本发明包括金属铜覆层和介质层；金属铜覆层自左至右依次为第一共面波导、第一过渡结构、周期排列的X形SSPPs结构、第二过渡结构和第二共面波导。本发明采用共面波导激励，通过过渡结构将共面波导与X形SSPPs结构结合得到一个基于人工表面等离子体结构的X形单导体波导，仿真结果表明在2.5‑12.6GHz的工作频段内，该结构输入端的反射系数低于‑10dB，输出端的传输系数大于‑3dB，整个工作频段内群时延低于2.6ns。

权利要求

1.一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，其特征在于，波导整体呈轴对称分布，包括金属铜覆层(1)和介质层(2)；金属铜覆层自左至右依次为第一共面波导(3)、第一过渡结构(4)、周期排列的X形SSPPs结构(5)、第二过渡结构和第二共面波导；

共面波导自上至下分别为第一共面波导金属铜覆层、第一缝隙、第二共面波导金属铜覆层、第二缝隙和第三共面波导金属铜覆层；

过渡结构包括两个扩口形金属铜覆层(401)和过渡金属铜覆层(402)；第一扩口形金属铜覆层的上边界与介质层(2)的上边界重合，下边界由第一共面波导金属铜覆层的下边沿曲线延伸至介质层(2)的上边界；第二扩口形金属铜覆层的下边界与介质层(2)的下边界重合，上边界由第三共面波导金属铜覆层的上边沿曲线延伸至介质层(2)的下边界；过渡金属铜覆层(402)包括长三角形金属铜覆层和周期排列的X形SSPPs结构；长三角形金属铜覆层由第二共面波导金属铜覆层延伸至X形SSPPs结构的中心；

X形SSPPs结构(5)包括矩形金属覆铜层方框、金属覆铜层竖条和X形金属铜覆层；X形金属铜覆层包括两个三角形金属铜覆层；金属覆铜层竖条关于矩形金属覆铜层方框的竖直中轴线对称；X形金属铜覆层关于矩形金属覆铜层方框的竖直中轴线和水平中轴线都呈对称结构；三角形金属铜覆层的一个边与金属覆铜层竖条平行；周期排列的X形SSPPs结构(5)由第一过渡结构的左端延伸至第二过渡结构的右端；

周期排列的X形SSPPs结构的周期D=5mm，通过调节X形SSPPs结构的几何参数能够改变波导的色散特性、截止频率、传输特性以及波导对传输波的束缚能力。

2.根据权利要求1所述的结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，其特征在于，共面波导为50 Ω共面波导。

3.根据权利要求1所述的结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，其特征在于，金属覆铜层的厚度为0.035mm，介质层相对介电常数为2.67、厚度为0.5mm。

4.根据权利要求1所述的结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，其特征在于，第一共面波导金属铜覆层(301)的宽度为18mm，第一缝隙(302)的宽度为0.26mm，第二共面波导金属铜覆层(303)的宽度为5mm。

说明书

技术领域

本发明属于人工表面等离子体、波导技术领域，具体涉及一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，适用于微波频段的人工表面等离子体器件或电路中。

背景技术

一直以来，人们致力于研究电磁波的传播过程，并通过设计一系列能够满足不同需求的元器件来对电磁波进行约束和调控。近年来的研究表明，人工表面等离子体激元可与太赫兹技术、微波技术、超材料以及光子晶体等领域的知识对接，具有很广阔的应用前景，如高度集成的光学电路、超分辨率成像和数据存储等。新一代的通信技术要求部件的尺寸和空间布局更小，这对光子器件和集成电路的小型化提出了更高的要求。然而，当光子器件的尺寸从微米级减小到纳米级时，其操作机制受到经典衍射极限的限制。当前实现纳米级光控制的方法之一是基于表面等离子体激元(SPPs)。

表面等离子体激元是由入射光子和导体与介质边界面上的自由电子之间的结合而形成的混合激励模式,是在导体与电介质的界面方向上传播的表面波。金属的等离子体频率位于光波长段,在微波或太赫兹带,金属通常被看做理想导体,其表面不能激发表面等离子体激元。人工表面等离子体激元(SSPPs)是光波段的表面等离子体激元在微波和太赫兹频带的重要拓展，2004年，文献“Mimicking surface plasmons with structured surfaces”公开了一种具有亚波长尺寸的周期性“凹槽”或“孔洞”阵列结构的金属表面，能够在微波和太赫兹波段传输类似于光波段的表面等离子体的表面波，该表面波被称为人工表面等离子体激元，由于人工表面等离子体激元一般沿着结构的表面传播，不需要接地板，因此属于单导体结构，且在垂直传播方向上呈指数衰减，能够将电磁波牢牢的束缚在结构表面，这种特性对于微波频段信号的传输具有重要意义。结合人工表面等离子体的特性和传统传输结构的特点，可适用于微波频段的新型SSPPs波导结构来实现人工表面等离子体波导的高效低耗传输。

文献“Spoof Surface Plasmon Polariton Leaky-Wave Antennas Using Periodically Loaded Patches Above PEC and AMC Ground Planes”公开了一种可以传输SSPPs波的等离子体波导，通过在梯度渐变的波纹带两侧添加金属，在0.75-7.65GHz频段内反射系数小于-10dB，插入损耗低于-3dB，实现了从共面波导到SSPPs传输带的平滑过渡和良好匹配，但其工作频带仍有待扩展；文献“Spoof surface plasmonic waveguide devices with compact length and low-loss”公开了一种带有T形槽的表面等离子体波导结构，该结构能够在0-5.6GHz的工作频带内使反射系数的值保持小于-15dB，该结构在工作带宽内性能较好，然而较窄的带宽限制了其使用；文献“Strongly Confned Spoof Surface Plasmon Polaritons Waveguiding Enabled by Planar Staggered Plasmonic Waveguides”公开了一种由具有周期性交错排列的双槽金属阵列组成的波导结构，在1-11.4GHz的工作频带内可以实现反射系数小于-10dB，该结构实现了共面波导到SSPPs传输带的过渡，由于其独特的交错排列出现了独特的交错电磁耦合和波导现象，然而该结构整体尺寸较大，不能满足小型化的需求，且该波导对表面波的束缚能力有待加强。

综上所述，人工表面等离子体激元由于其独特的优良特性(如局域场增强、透波增强等)以及其单元结构的几何参数可以调节对应的色散关系和传输电磁波的特性(如频率、带宽等)等优点，具有广阔的应用前景以及研究价值。学者提出了许多不同形式的亚波长结构以实现微波频段的电磁波传输，但是在减小波导结构单元的尺寸，增加波导带宽以及波导对所传输表面波的束缚能力等方面还面临许多挑战。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，呈轴对称分布，包括金属铜覆层1和介质层2；金属铜覆层自左至右依次为第一共面波导3、第一过渡结构4、周期排列的X形SSPPs结构5、第二过渡结构和第二共面波导；

共面波导自上至下分别为第一共面波导金属铜覆层、第一缝隙、第二共面波导金属铜覆层、第二缝隙和第三共面波导金属铜覆层；

过渡结构4包括两个扩口形金属铜覆层401和过渡金属铜覆层402；第一扩口形金属铜覆层的上边界与介质层2的上边界重合，下边界由第一共面波导金属铜覆层的下边沿曲线延伸至介质层2的上边界；第二扩口形金属铜覆层的下边界与介质层2的下边界重合，上边界由第三共面波导金属铜覆层的上边沿曲线延伸至介质层2的下边界；过渡金属铜覆层402包括长三角形金属铜覆层和周期排列的X形SSPPs结构；长三角形金属铜覆层由第二共面波导金属铜覆层延伸至X形SSPPs结构的中心；

X形SSPPs结构5包括矩形金属覆铜层方框、金属覆铜层竖条和X形金属铜覆层；X形金属铜覆层包括两个三角形金属铜覆层；金属覆铜层竖条关于矩形金属覆铜层方框的竖直中轴线对称；X形金属铜覆层关于矩形金属覆铜层方框的竖直中轴线和水平中轴线都呈对称结构；周期排列的X形SSPPs结构5由第一过渡结构的左端延伸至第二过渡结构的右端。

共面波导为50Ω共面波导。

通过调节X形SSPPs结构的几何参数能够改变其色散特性、截止频率、传输特性以及波导对传输波的束缚能力。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用共面波导馈电，激励方式简单有效，容易实现的同时可以避免如采用微带结构馈电需要布局在介质基板两侧的不足、如采用槽线馈电不容易与SMA转接器连接等问题。同时，采用上下对称分布的的共面波导能更方便设计共面波导结构，有效的激励起共面波导模式以实现50Ω的阻抗匹配；

(2)本发明中过渡部分采用长三角形结构延展到SSPPs结构的过渡方式以及扩口状的金属覆铜，有效的实现了从共面波导到SSPPs波导的阻抗匹配和动量匹配，能够高效的将共面波导激励起的电磁波耦合成为SSPPs结构中传输的表面波；

(3)本发明中成周期排布的X形SSPPs结构能使经由过渡部分耦合过来的表面波牢牢束缚在结构表面且沿着结构周期延展方向传输。而在与传播方向垂直处，表面波呈现指数型衰减的特性，即在与传播方向垂直的方向上是消逝波，因而保证了SSPPs波导的传输效率。且采用的SSPPs结构尺寸较小，排布紧凑，不需要接地板，对表面波的束缚能力较强；

(4)本发明结合人工表面等离子体的特性和传统传输结构的特点，采用共面波导与SSPPs结构且使用长三角形过度结构减小从共面波导耦合到SSPPs结构的能量损失，能够在较宽的微波频段内高效传输电磁波。

附图说明

图1为本发明所述波导的左视图；

图2为本发明所述波导的俯视图；

图3为本发明所述波导中共面波导的结构示意图；

图4为本发明所述波导中过渡结构的结构示意图；

图5为本发明所述波导中X形SSPPs结构的结构示意图；

图6为本发明所述波导中X形SSPPs结构的色散曲线仿真结果图；

图7为本发明所述波导在8GHz时电场分布仿真结果图；

图8为本发明所述波导的S参数的仿真结果图；

图9为本发明所述波导的群时延的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导，其左视图和俯视图分别如图1和图2所示，呈轴对称分布，包括金属铜覆层1和介质层2；金属覆铜层厚度为0.035mm，介质层相对介电常数等于2.67、厚度为0.5mm，D_y＝41.52mm。

金属铜覆层自左至右依次为第一共面波导3、第一过渡结构4、周期排列的X形SSPPs结构5、第二过渡结构和第二共面波导，其中l₁＝5mm，l₂＝50mm，l₃＝120mm。

共面波导为50Ω共面波导，其结构示意图如图3所示，自上至下分别为第一共面波导金属铜覆层、第一缝隙、第二共面波导金属铜覆层、第二缝隙和第三共面波导金属铜覆层；第一共面波导金属铜覆层301的宽度为18mm，第一缝隙302的宽度为0.26mm，第二共面波导金属铜覆层303的宽度为5mm。

过渡结构4的结构示意图如图4所示，包括两个扩口形金属铜覆层401和过渡金属铜覆层402；第一扩口形金属铜覆层的上边界与介质层2的上边界重合，下边界由第一共面波导金属铜覆层的下边沿曲线延伸至介质层2的上边界；第二扩口形金属铜覆层的下边界与介质层2的下边界重合，上边界由第三共面波导金属铜覆层的上边沿曲线延伸至介质层2的下边界；过渡金属铜覆层402包括长三角形金属铜覆层和周期排列的X形SSPPs结构；长三角形金属铜覆层由第二共面波导金属铜覆层延伸至X形SSPPs结构的中心；

X形SSPPs结构5的结构示意图如图5所示，包括高度为H宽度为D(周期为D)的矩形金属覆铜层方框、金属覆铜层竖条和X形金属铜覆层；其中H＝5mm，D＝5mm；X形金属铜覆层包括两个三角形金属铜覆层；金属覆铜层竖条关于矩形金属覆铜层方框的竖直中轴线对称；X形金属铜覆层关于矩形金属覆铜层方框的竖直中轴线和水平中轴线都呈对称结构；周期排列的X形SSPPs结构5由第一过渡结构的左端延伸至第二过渡结构的右端。

通过调节X形SSPPs结构的几何参数能够改变其色散特性、截止频率、传输特性以及波导对传输波的束缚能力。

图6为本实施例中该X形SSPPs单元结构与光线的色散曲线对比图，很清楚的看到：1)该结构的色散曲线位于光线的右下侧，其波矢随着频率增大而增大，意味着该结构可以支持SSPPs模式；2)随着波矢的增加，色散曲线越来越远离光线，最后色散曲线的频率趋向于截止频率。这说明了该结构对电磁波的约束能力随着频率逐渐增加，该结构可以将电磁波高约束低损耗的在结构表面传播。

图7为本实施例所述波导在8GHz时电场分布仿真结果图，结果表明电磁波可以被很好的约束在结构表面，并沿着表面传播。

图8为本实施例所述波导S参数的仿真结果，结果表明在2.5-12.6GHz的工作频段内，该结构输入端的反射系数低于-10dB，输出端的传输系数大于-3dB。

图9为本实施例所述波导群时延的仿真结果，结果表明在2.5-12.6GHz的工作频段内群时延低于2.6ns，性能优异。

以上是向熟悉本发明领域的技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，上述实施例是为了帮助读者理解该发明的原理，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。本领域的技术人员可根据此发明权利要求书中公开的技术思路做出一些不脱离本发明核心实质的变更。上述这些都应被视为本发明的保护范围之内。

一种结构紧凑的X形人工表面等离子体波导专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。