一種平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新型人工電磁媒質(zhì)以及無(wú)線通信系統(tǒng)電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種平 面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離激元是一種由金屬中自由電子與光波（電磁波）耦合引起的電磁模式， 在金屬和介質(zhì)交界面?zhèn)鞑ィ瑫r(shí)在垂直于交界面的方向上按指數(shù)衰減的表面波。然而，當(dāng)頻 率降低到微波和太赫茲波段時(shí)，金屬將不再支持這種表面等離激元。為了實(shí)現(xiàn)微波和太赫 茲波段的表面等離激元，人們提出一種人工表面等離激元。利用金屬表面層上的一維或者 二維的亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元的傳播。其中，很多有價(jià)值的工作都是利用 亞波長(zhǎng)的褶皺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。
[0003] 然而，要將人工表面等離激元應(yīng)用于實(shí)際中，還需要將其和傳統(tǒng)的傳輸線結(jié)合起 來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)微帶傳輸線和表面等離激元波導(dǎo)間的高效轉(zhuǎn)換，一種基于漸變槽深的褶 皺帶線和開口的金屬地結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換被提出。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化使得表面等離激元的應(yīng)用進(jìn)一 步擴(kuò)大。許多基于表面等離激元的功能器件已經(jīng)被提出。但是將表面等離激元與漏波現(xiàn)象 結(jié)合這一領(lǐng)域還相對(duì)空白?，F(xiàn)有的基于表面等離激元的漏波模式的結(jié)構(gòu)，一種是利用三維 表面等離激元波導(dǎo)作為激勵(lì)，使用金屬貼片進(jìn)行二次輻射。另一種則是利用亞波長(zhǎng)開口金 屬塊陣列，使在開口部分形成泄漏模式。雖然這兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)波束隨頻率的變化進(jìn) 行掃描，但是都會(huì)增加整體結(jié)構(gòu)的尺寸，無(wú)法進(jìn)行小型化應(yīng)用，更不適合應(yīng)用于現(xiàn)在流行的 平面集成電路中。
[0004] 本發(fā)明提出了一種平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列。該結(jié)構(gòu)利 用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線進(jìn)行饋電，利用槽深漸變的單邊褶皺帶線和開口的金屬地結(jié)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)了從共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用表面等離激元波導(dǎo)對(duì)圓 形金屬貼片陣列進(jìn)行饋電，利用饋電引入的相位差實(shí)現(xiàn)隨著頻率的變化，波束掃描方向從 后向到前向的變化。相比于已有的基于表面等離激元的漏波結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的輻射頻率范圍 更大，效率更高，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，體積小，輻射效率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)微波和太赫 茲波段的等離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼 片陣列，實(shí)現(xiàn)頻率變化時(shí)，波束從后向到前向的寬角度掃描。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明的一種平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列，包 括介質(zhì)基底及其上層附有的金屬結(jié)構(gòu)，所述金屬結(jié)構(gòu)包括位于兩端的共面波導(dǎo)傳輸線饋電 部分、共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的過(guò)渡部分、表面等離子激元波導(dǎo)部分以及圓 形金屬貼片陣列；表面等離子激元波導(dǎo)部分位于中間，兩個(gè)過(guò)渡部分位于表面等離子激元 波導(dǎo)部分的兩側(cè)，兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分位于過(guò)渡部分的兩外側(cè)，圓形金屬貼片陣 列位于表面等離子激元波導(dǎo)部分的上部；
[0007] 所述共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分包括傳輸線中的中心導(dǎo)體和分布于傳輸線中的中 心導(dǎo)體兩側(cè)的傳輸線中的金屬地結(jié)構(gòu)；
[0008] 所述過(guò)渡部分由槽深漸變的單邊褶皺帶線和開口的金屬地結(jié)構(gòu)組成；所述槽深漸 變的單邊褶皺帶線由傳輸線中的中心導(dǎo)體帶線延伸而出，在槽深漸變的單邊褶皺帶線上均 勻間隔開設(shè)有設(shè)定寬度的凹槽，所述凹槽隨著延伸長(zhǎng)度逐漸加深；
[0009] 所述表面等離子激元波導(dǎo)部分由槽深相等的凹槽結(jié)構(gòu)周期平移得到；
[0010] 所述圓形金屬貼片陣列為一排大小相等、等間距放置的圓形金屬貼片，圓形金屬 貼片陣列位于表面等離子激元波導(dǎo)部分的上方。
[0011] 其中：
[0012] 表面等離子激元波導(dǎo)部分是平面的。
[0013] 所述槽深漸變的單邊褶皺帶線的凹槽為矩形。
[0014] 所述槽深漸變的單邊褶皺帶線的凹槽寬度為2mm，深度為4mm，凹槽間距為5mm。
[0015] 所述的表面等離子激元波導(dǎo)部分，向一排圓形金屬貼片陣列饋電；由于饋電時(shí)引 入的相位差，圓形金屬貼片陣列能實(shí)現(xiàn)從后向到前向的寬角度波束掃描。
[0016] 所述圓形金屬貼片陣列由大小相等、等間距排列的金屬圓形貼片組成；貼片半徑 為8_，貼片圓心之間間距為24mm。
[0017] 有益效果：本發(fā)明的一種平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列，采 用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線進(jìn)行饋電，利用平面表面等離激元波導(dǎo)對(duì)圓形金屬貼片陣列進(jìn)行 饋電，從而實(shí)現(xiàn)頻率變化時(shí)波束從后向到前向的寬角度掃描。傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線阻抗 設(shè)計(jì)匹配到50歐姆，便于實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。
[0018] 所述的平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列從傳統(tǒng)共面波導(dǎo)傳輸 線到表面等離激元波導(dǎo)的過(guò)渡采用了槽深漸變的單邊褶皺帶線結(jié)構(gòu)和開口的金屬地結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配和阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率傳輸最大化。
[0019] 所述的平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的主要輻射部分是一 排大小相等、等間距排布的圓形金屬貼片。由于貼片沿平面表面等離激元波導(dǎo)放置，因此各 個(gè)貼片的饋電相位就發(fā)生了變化，這種相位差就可以引起波束的掃描角度的變化。
[0020] 相比于已有的基于表面等離激元的漏波結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的輻射頻率范圍更大，效率 更高，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，體積小，輻射效率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)微波和太赫茲波段的等 離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1給出了平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的示意圖。
[0022] 圖中有：共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分1，傳輸線中的金屬地la，傳輸線中的中心導(dǎo)體 lb;過(guò)渡部分2,開口的金屬地結(jié)構(gòu)2a，槽深漸變的單邊裙皺帶線2b;表面等離子激元波導(dǎo) 部分3,圓形金屬貼片陣列4。
[0023] 圖2給出了單邊褶皺帶線單元結(jié)構(gòu)隨槽深變化的色散曲線圖；
[0024] 圖3給出了實(shí)現(xiàn)波束掃描的原理示意圖；
[0025] 圖4給出了所述平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的仿真和測(cè) 試的散射參數(shù)；
[0026] 圖5給出了所述平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng) 輻射方向圖；
[0027] 圖6給出了所述平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的增益和效 率曲線；
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029] 本發(fā)明的一種平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列，采用傳統(tǒng)共面 波導(dǎo)傳輸線饋電方式，利用平面表面等離子激元波導(dǎo)給金屬圓形貼片陣列饋電，饋電引起 的不同貼片單元的相位差即會(huì)引起輻射波束掃描角度的變化。傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線阻抗 設(shè)計(jì)匹配到50歐姆，便于實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸；所述平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃 描貼片陣列從傳統(tǒng)共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的過(guò)渡采用了槽深漸變的單邊褶 皺帶線結(jié)構(gòu)和開口的金屬地結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配和阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功 率傳輸最大化。所述的平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的主要輻射部分 由沿表面等離激元波導(dǎo)放置的大小相等且等間距的金屬圓形貼片組成。當(dāng)表面等離激元沿 波導(dǎo)傳播時(shí)，由于金屬圓形貼片的干擾，會(huì)使得部分能量耦合到金屬圓形貼片上，貼片隨后 將能量輻射出去。在輻射的過(guò)程中，由于饋電引起的不同貼片間的相位差，以及輻射后不同 貼片到達(dá)等相位面的光程差，輻射波束即可以呈現(xiàn)掃描特性。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步說(shuō)明。
[0030] 圖1給出了所述平面表面等離激元饋電的寬角度頻率掃描貼片陣列的示意圖。整 個(gè)結(jié)構(gòu)均在介質(zhì)基板的同一層。
[0031] 圖2給出了單邊褶皺帶線單元結(jié)構(gòu)隨槽深變化的色散曲線圖。如相關(guān)文獻(xiàn)中提到 的，沿金屬槽線的傳播波的色散關(guān)系可以描述為：
[0032]
[0033] 其中，kQ=ω/c表示自由空間的波數(shù)。當(dāng)〇 <kQh< 3T/2時(shí)，kx是大于k。的實(shí)