一种采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线

1.本发明属于微波传输线领域，具体是一种采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，用于芯片与主板之间高频信号传输的板载传输线结构。


背景技术：

2.随着5g通信的全面商业化，通信速率已提高至厘米波甚至毫米波频段，因此，连接芯片和主板的传输线需要满足小型、超薄、高频、低损耗和高隔离性的应用需求。并且，伴随着电子器件大功率、小型化和高集成度的发展趋势，元件内部高分布密度或高工作频率引起的电磁干扰问题愈加严重。传统的微带线、共面波导等结构由于严重的传输损耗和串扰，导致其不能直接应用在高频电路。因此，迫切需要设计一种可工作在高频下的新型传输线结构。
3.表面等离子体激元(spp)是一种沿金属和介质界面传播的电磁波，电场在垂直于导体表面的方向上呈指数衰减，因此在微型化光子学、高灵敏度生物医学传感器和化学传感等领域得到了广泛的应用。人工表面等离激元(sspp)是一种人工周期阵列结构，可在微波、毫米波和太赫兹波频段模拟自然spp在光波段或红外频段的物理特性，具有色散特性可控、截止频率可调、强表面波束缚性以及可在超薄和柔性材料上长距离传播等优点。一方面，sspp是以tm模存在的表面波，为了与现有的微波电路集成需要进行模式转换，但现有的过渡结构设计复杂，不利于加工制作。另一方面，sspp结构的色散特性与尺寸密切相关，单元结构参数仅可以通过色散频率来调节传输线的高截止频率，不能灵活地独立调控其上下截止频率，限制了其在微波、毫米波领域的应用前景。


技术实现要素：

4.为了解决以上背景技术和现有方法的不足，本发明设计了一种采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，并分析了该结构的色散特性和传输特性，所涉及的结构具有可控的色散特性，以及可灵活地调节上、下截止频率的特点，解决高频板载传输线的信号完整性问题。
5.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明的采用叉指结构的可调谐sspp传输线，包括下层柔性介质基底层和上层金属导体层；所述上层金属导体层包括沿x方向设置的共面波导结构部分、过渡结构部分、sspp结构部分、过渡结构部分和共面波导结构部分；
7.所述过渡结构由五个第一类sspp单元组成，分别为第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和第五单元；
8.所述第一类sspp单元包括两侧的第一地线和第一中心信号线，所述第一中心信号的上下两侧蚀刻有两个第一矩形凹槽；
9.所述sspp结构部分包括五个第二类sspp单元，每两个第二类sspp之间由五级叉指结构进行耦合连接；
10.所述第二类sspp单元包括两侧的第二地线和第二中心信号线，所述第二中心信号线的上下两侧蚀刻有两个第二矩形凹槽，所述第二矩形凹槽内设置有四级叉指结构。
11.进一步地，所述共面波导结构部分沿x轴对称，长度为l1＝0.5mm，所述第一中心信号线和第二中心信号线的宽度均为h＝0.92mm，所述第一地线和所述第二地线的宽度均为w＝1mm，所述第一地线与所述第一中心信号线之间以及所述第二地线与所述第二中心信号线之间的间隙均为g＝0.085mm。
12.进一步地，所述过渡结构部分由五个第一类sspp单元直接串联组成，第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和第五单元的第一矩形凹槽的深度分别为h1＝0.08mm、h2＝0.16mm、h3＝0.24mm、h4＝0.32mm、h5＝0.40mm。
13.进一步地，所述过渡结构部分的第一类sspp单元的长度为a＝3mm，所述第一中心信号线和所述第一地线的宽度分别为h＝0.92mm和w＝1mm，所述第一矩形凹槽的深度和宽度分别为h＝2mm和w2＝2mm，所述第一矩形凹槽沿x轴对称。
14.进一步地，所述sspp结构部分包括五个串联的第二类sspp单元，串联的第二类sspp单元之间通过五级交叉结构进行耦合连接，五级交叉结构长为lis1、宽度为w
is1
＝1.532mm、间隙为g
is1
＝0.035mm，lis1的范围为1.5mm～2.9mm。
15.进一步地，所述第二类sspp单元长度为a＝3mm，第二中心信号线的高度为h＝0.92mm，第二中心信号线蚀刻有沿x轴对称的第二矩形凹槽，第二矩形凹槽深度为sh＝0.4mm，第二矩形凹槽内设置有四级交叉结构，四级交叉结构的长为lis2，宽为w
is2
＝0.05mm，间隙为g
is2
＝0.05mm，lis2的范围为0～1.95mm。
16.进一步地，所述下层柔性介质基底层采用介电常数为3.5的聚酰亚胺制成，所述上层金属导体层采用铜制成。
17.本发明的有益效果是：
18.所述传输线结构采用了共面形式的双导体结构，可以与平面微波电路进行直接连接，并且在原来色散特性不变的基础上，双导体结构对表面电磁场的束缚能力得到增强，有效简化了激励sspp的过渡结构设计。
19.所述传输线结构，改变其sspp单元结构参数，单元长度a、矩形凹槽深度h、凹槽宽度w2等可以调控色散特性，凹槽内的叉指结构可在不增加线宽的基础上进一步调控色散特性，实现传输线高截止频率的灵活控制，以及传输线结构的小型化。
20.所述传输线结构，其sspp结构部分每两个相邻sspp单元之间通过叉指结构进行耦合连接，叉指结构的长度、级数以及间隙等可以调控传输线的低截止频率。因此，不同位置的叉指结构分别可独立调控传输线的上下截止频率，使传输线可以灵活地应用在微波和毫米波设备中。
21.所述传输线采用了铜和聚酰亚胺材料，具有尺寸小、结构简单、制作成本低以及机械可靠性高等优势，可用于终端设备中高频信号的传输，并具有较好的信号完整性。
附图说明
22.图1是本发明中所用人工表面等离激元传输线的立体结构示意图。
23.图2是本发明中所用人工表面等离激元传输线的俯视结构示意图。
24.图3是本发明中所用人工表面等离激元传输线的色散曲线图。
25.图4是本发明中所用人工表面等离激元传输线在不同lis2下的s
11
曲线图。
26.图5是本发明中所用人工表面等离激元传输线在不同lis2下的s
21
曲线图。
27.图6是本发明中所用人工表面等离激元传输线在不同lis1下的s
11
曲线图。
28.图7是本发明中所用人工表面等离激元传输线在不同lis1下的s
21
曲线图。
29.主要元件符号说明
30.下层柔性介质基底层1
31.上层金属导体层2
32.共面波导结构部分3
33.过渡结构部分4
34.sspp结构部分5
35.第一类人工表面等离激元单元6
36.第一地线7
37.第一中心信号线8
38.第一矩形凹槽9
39.第二类人工表面等离激元单元10
40.五级叉指结构11
41.第二地线12
42.第二中心信号线13
43.第二矩形凹槽14
44.四级叉指结构15
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明作进一步说明。
46.本发明一实施方式提供一种采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其可应用于板载高频信号的传输。请参阅图1，采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线(简称sspp传输线)包括下层柔性介质基底层1和上层金属导体层2。
47.请参阅图2，所述上层金属导体层2包括沿x方向布置的共面波导结构部分3、过渡结构部分4、sspp结构部分5、过渡结构部分4和共面波导结构部分3。所述共面波导结构部分3用于与平面微波电路直接连接。
48.所述过渡结构部分4由五个第一类人工表面等离激元单元6组成，分别为第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和第五单元。这五个第一类人工表面等离激元单元6均包括位于两侧的第一地线7和第一中心信号线8。所述第一中心信号线8的上下两侧分别蚀刻有两个第一矩形凹槽9。所述第一矩形凹槽9沿x轴对称。位于第一至第五单元中的第一矩形凹槽9的深度依次为h1＝0.08mm、h2＝0.16mm、h3＝0.24mm、h4＝0.32mm、h5＝0.40mm。第一至第五单元除第一矩形凹槽9的深度不同外，其余参数均保持一致。所述过渡结构部分4是为了完成模式转换和动量匹配。
49.所述第二类人工表面等离激元单元10包括位于两侧的第二地线12和第二中心信号线13。所述第二中心信号线13的上下两侧蚀刻有两个第二矩形凹槽14。所述第二矩形凹槽14的深度为sh＝0.4mm、宽度为w2＝2mm，且沿x轴对称分布。所述第二矩形凹槽14内设置
有四级叉指结构15。所述四级叉指结构15的长度为lis2，宽度为w
is2
＝0.05mm，间隙为g
is2
＝0.05mm。
50.所述四级叉指结构15的长度lis2的范围为0-1.95mm。如图3所示，通过改变四级叉指结构15的长度(指长)lis2，范围为0-1.95mm，sspp色散曲线的截止频率由24.8ghz降低到8.1ghz，增强了电场束缚能力。
51.如图4和图5所示，所述四级叉指结构15的长度lis2由1.95mm逐渐减小至1mm时，传输线s
11
《-10db的高截止频率由7.69ghz提高至10ghz，s
21
》-3db的高截止频率由7.01ghz提高至9.81ghz，低截止频率基本不变。因此，所述四级叉指结构15的长度lis2可以独立地调节高截止频率。
52.所述人工表面等离激元结构部分5包括五个完全相同的第二类人工表面等离激元单元10，每两个第二类人工表面等离激元单元10之间由五级叉指结构11进行耦合连接。所述五级叉指结构11长度为lis1，范围为1.5mm-2.9mm，间隙为g
is1
＝0.035mm，宽度为w
is1
＝0.152mm。
53.所述五级叉指结构11的长度lis1的范围为1.5mm～2.9mm。如图6和图7所示，通过改变所述五级叉指结构11的长度(指长)lis1，由1.5mm增加至2.9mm，传输线s
11
的低截止频率由5.9ghz降低至约4.8ghz，s
21
》-3db的低截止频率由5.8ghz降低至4.7ghz，高截止频率变化较小。因此，所述五级叉指结构11的长度lis1可以独立地调节低截止频率。图4至图7表明了本技术的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线的上下截止频率可以独立地进行调控，具有很大的灵活性，可应在小型化的微波设备。
54.所述下层柔性介质基底层1的材料可包括聚酰亚胺、液晶高分子聚合物、聚四氟乙烯、聚苯硫醚中的至少一种。所述上层金属导体层2的材料可包括铜、银、铝中的至少一种。本实施方式中，所述下层柔性介质基底层1采用介电常数为3.5、厚度为0.05mm的聚酰亚胺制成，所述上层金属导体层2采用厚度为0.018mm的铜制成，因此传输线具有柔性超薄的特点。
55.本发明的人工表面等离激元结构设计简单、尺寸较小，具有色散特性可控，上、下频率可调的特性，在宽带范围内有良好的传输特性。
56.以上所揭露的仅为本发明较佳实施方式而已，当然不能以此来限定本发明，因此依本发明所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于：下层柔性介质基底层和上层金属导体层；所述上层金属导体层包括沿x方向设置的共面波导结构部分、过渡结构部分、人工表面等离激元结构部分、过渡结构部分和共面波导结构部分；两个过渡结构均由五个第一类人工表面等离激元单元组成，分别为第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和第五单元；每个第一类人工表面等离激元单元包括位于两侧的第一地线和第一中心信号线，所述第一中心信号线的上下两侧蚀刻有两个第一矩形凹槽；所述人工表面等离激元结构部分包括五个第二类人工表面等离激元单元，每两个第二类人工表面等离激元之间由五级叉指结构进行耦合连接；每个第二类人工表面等离激元单元包括位于两侧的第二地线和第二中心信号线，所述第二中心信号线的上下两侧蚀刻有两个第二矩形凹槽，所述第二矩形凹槽内设置有四级叉指结构。2.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述共面波导结构部分沿x轴对称且长度均为l1，所述第一中心信号线的宽度和所述第二中心信号线的宽度均为h，所述第一地线的宽度和所述第二地线的宽度均为w，所述第一地线和所述第一中心信号线之间的间隙以及所述第二地线和所述第二中心信号线之间的间隙均为g，其中，l1＝0.5mm，h＝0.92mm，w＝1mm，g＝0.085mm。3.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述过渡结构部分由五个所述第一类人工表面等离激元单元直接串联组成，位于所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元、所述第四单元和所述第五单元的第一矩形凹槽的深度分别为h1、h2、h3、h4、h5，其中，h1＝0.08mm、h2＝0.16mm、h3＝0.24mm、h4＝0.32mm、h5＝0.40mm。4.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，每个第一类人工表面等离激元单元的长度为a，所述第一中心信号线的宽度和所述第一地线的宽度分别为h和w，所述第一矩形凹槽的深度和宽度分别为h和w2，所述第一矩形凹槽沿x轴对称，其中，a＝3mm，h＝0.92mm，w＝1mm，h＝2mm，w2＝2mm。5.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述人工表面等离激元结构部分包括五个串联的所述第二类人工表面等离激元单元，串联的两个第二类人工表面等离激元单元之间通过所述五级交叉结构进行耦合连接，所述五级交叉结构的长度为lis1、宽度为w
is1
、间隙为g
is1
，其中，lis1的范围为1.5mm～2.9mm，w
is1
＝1.532mm，g
is1
＝0.035mm。6.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述第二类人工表面等离激元单元的长度为a，所述第二中心信号线的高度为h，所述第二中心信号线蚀刻有沿x轴对称的两个所述第二矩形凹槽，所述第二矩形凹槽的深度为sh，所述第二矩形凹槽内设置的四级交叉结构的长度为lis2、宽度为w
is2
、间隙为g
is2
，其中，a＝3mm，h＝0.92mm，sh＝0.4mm，lis2，lis2的范围为0～1.95mm，w
is2
＝0.05mm，g
is2
＝0.05mm。7.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述下层柔性介质基底层的材料包括聚酰亚胺、液晶高分子聚合物、聚四氟乙烯、聚苯
硫醚中的至少一种。8.根据权利要求7所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述下层柔性介质基底层的材料为介电常数为3.5的聚酰亚胺。9.根据权利要求1所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述上层金属导体层的材料包括铜、银、铝中的至少一种。10.根据权利要求9所述的采用叉指结构的可调谐人工表面等离激元传输线，其特征在于，所述上层金属导体层的材料为铜。

技术总结
本发明公开了一种可自由调谐的人工表面等离激元传输线结构和应用。所设计的传输线采用了叉指H形人工表面等离激元结构，主要包括共面波导结构部分、过渡结构部分和SSPP部分三部分组成，其中共面波导段用于和平面微波结构进行连接，过渡结构和SSPP段分别由具有不同参数的SSPP单元组成，实现模式转换和信号传输。SSPP单元的凹槽内设置有叉指结构，不仅可以进一步减小结构尺寸，还可以调控色散截止频率。SSPP段内各单元之间通过叉指结构来耦合串联连接，叉指结构的尺寸可以控制低频截止频率。因此，不同位置的叉指结构可以实现传输线高频及低频的自由调谐。本发明的结构具有小型化、柔性超薄和高灵活性等特点，在超小型高速通信系统中具有潜在的应用前景。系统中具有潜在的应用前景。系统中具有潜在的应用前景。


技术研发人员：李艳禄 李雅楠 王蒙军 魏豪毅
受保护的技术使用者：鹏鼎控股（深圳）股份有限公司 河北工业大学
技术研发日：2022.01.11
技术公布日：2023/7/25