一种可编程设计的人工表面等离激元波调控装置

摘要

本发明公开了一种可编程设计的人工表面等离激元波调控装置，该可编程控制器由传统的共面波导馈电，通过共面波导与人工表面等离激元波导之间的过渡结构实现两种波导之间的阻抗匹配和波数匹配。本发明利用单边褶皱带线人工表面等离激元波导的单元结构，与变容二极管组成新的单元结构，变容二极管的电容值由控制电路改变。本发明创造性地采用人工表面等离激元结构，该结构具有较好的物理特性，可实现对人工表面等离激元波的编程控制，方便设计并制造逻辑门、数字移相器以及可控慢波结构。本发明具有的有点包括：连接简单、实现方便、带宽较宽、性能稳定；而且可在薄的介质基板上制作完成，便于集成，具有相当广阔的运用前景。

说明书

技术领域

本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的可编程设计的调控装置。

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振荡，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。

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传统微波器件无法实现的功能。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种人工表面等离激元波的可编程的调控装置。

技术方案：一种可编程设计的人工表面等离激元波调控装置，

有益效果：本发明可编程设计的人工表面等离激元波调控装置，可通过对单片机写入程序从而改变变容二极管的容值，而二极管容值的改变则改变了人工表面等离激元波的传播常数，从而对人工表面等离激元波进行调控。

另外，该结构具有较好的物理特性，方便制造共型电路；并且该结构具有更为紧凑和优秀的物理特性，因此具有相当的运用前景。

附图说明

图1为可编程设计的人工表面等离激元波调控装置的正面结构示意图。

其中，1为共面波导传输线馈电部分，2为过渡部分，3为人工表面等离子激元波导部分，4为变容二极管部分。

图2为此装置的反面结构示意图。

图3为本发明控制电路以及隔离电路的局部图。

图4给出了所述的在均一编码下此装置呈现的逻辑门特性。其中图4(a)为与门特性，图4(b)为与非门特性。

图5给出了所述的在编码下此装置呈现的数字移相器特性。

图6给出了所述的在逻辑编码下此装置呈现的可控慢波结构。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的可编程设计的人工表面等离激元波调控装置，包括介质板及介质板上的金属结构；介质板为图1中显示的外围轮廓，金属结构包括位于两端的共面波导传输线馈电部分1、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分2、人工表面等离子激元波导部分3。人工表面等离激元波导部分3位于介质板正面中间位置，过渡部分2位于人工表面等离子激元波导部分1的两侧，两端的共面波导传输线馈电部分1位于过渡部分2的外侧。在介质板背面设有隔离控制电路，由隔离电路和控制电路连接形成。

共面波导传输线馈电部分1包括中心导体及分布于中心导体两侧的金属地结构。过渡部分2由槽深渐变的单边褶皱带线和槽深渐变的单边褶皱带线径向两侧的开口金属地结构组成；槽深渐变的单边褶皱带线由共面波导传输线馈电部分1的中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，且凹槽随着延伸长度逐渐加深；开口金属地结构由共面波导传输线馈电部分1的金属地结构延伸而出，且开口逐渐增大；即金属地结构开口的相对两条边呈指数变化逐渐远离。人工表面等离激元波导部分3由槽深相等的凹槽结构周期平移得到；在表面等离子激元波导部分1的馈线与凹槽的连接处通过导电胶或者焊锡连接有变容二极管4，变容二极管4与介质板背面的隔离控制电路连接。

上述，表面等离激元波导呈光栅状，且其光栅的大小以及密度会影响波导的色散特性，可根据实际需要进行设置。

介质板基片由Rogers RT5880板材制成，介质板基片的厚度为0.3～1.6mm，其相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009。

图2、图3为本发明的控制电路以及隔离电路的示意图以及局部图。控制电路为单片机、D/A转换芯片(数字模拟转换芯片)以及稳压电源模块构成，可由电脑连接单片机写入控制代码，单片机输出的数字信号经过数模转换来调控变容二极管的电压值，进而改变变容二极管的电容值，而二极管容值的改变则改变了人工表面等离激元波的传播常数，从而对人工表面等离激元波进行调控。对单片机写入的代码可以对每个单元进行单独调控。隔离电路由场效应管构成，可将直流信号与射频信号隔离开，防止相互间的干扰。隔离电路的场效应管与控制电路的D/A转换芯片通过布线连接。

图4展示了此调控装置在逻辑编码的调控下，展现出的逻辑门特性。人工表面等离激元波导如图1所示共有16个单元结构，每个单元结构的变容二极管位于表面等离子激元波导馈线与凹槽的连接处。16个单元的电容值可由与之相连的控制电路单独调控。在逻辑门的实现中，将左边的8个单元给予相同的电压值，并称为通道1；同理右边8个单元也给予相同的电压，称为通道2。

当变容二极管的电容较高时，单个单元会有较大的波数，这意味着有更强的场束缚能力，较低的截止频率和较高的群速，这意味着在某段特定频率的波无法传播，因此把这种状态类比于数字电路中的断路状态，称为状态“0”，相反的，当变容二极管的电容较低时，单个单元会有较小的波数，这意味着有更弱的场束缚能力，较高的截止频率和较低的群速，这意味着在某段特定频率的波可以传播，因此把这种状态称为状态“1”。而“0”、“1”状态的调控可由加在变容二极管上的电压大小来控制。

图4(a)呈现出与门的特性，即在逻辑编码的“0-0”、“0-1”、“1-0”的控制下，频率7GHz-9GHz内传输系数小于-15dB，呈现截止特性，电磁波无法传播，即状态为“0”。而在即在逻辑编码的“1-1”的控制下，频率7GHz-9GHz内呈现传输系数大于-12dB，呈现出导通特性，电磁波可以传播，即状态为“1”。

同理，图4(a)呈现出与非门的特性，即在逻辑编码的“0-0”、“0-1”、“1-0”的控制下，频率7GHz-9GHz内传输系数大于-12dB，电磁波可以传播，即状态为“1”。而在即在逻辑编码的“1-1”的控制下，频率7GHz-9GHz内传输系数小于-15dB，电磁波无法传播，即状态为“0”。

由此延伸，可将人工表面等离激元波导的传播状态扩展为2位甚至为多位。如在2位的情况下，把截止状态定义为00，导通状态为11，那么中间的状态01和10。状态不同反应此时的波导对电磁波的束缚能力，00时最强，依次是01、10，11时的束缚能力最弱。00、01、10、11分别对应着不同的电压值，由控制电路来实现。由图5可以看到在2位编码“00”、“01”、“10”、“11”调控下，相位发生改变，并且能在较宽的频段内能覆盖正负180度的相位。在均一的单片机编码下，二极管的电压发生改变，比如“00”代表0V，“01”代表2V，“10”代表4V，电路的相移量发生改变，由此可设计出数字移相器。具有良好的数字移相器的性能。

图6展示了4位逻辑编码下此装置呈现的可控慢波结构，可以看到在特定编码下，电磁波被局域在了特定的位置，这是由于在此频率下的电磁波的群折射率显著增大，即电磁波的群速大为降低，这意味着电磁波的传播速度降到接近0，因而可以看出电磁波传播一定距离后不再传播，就像被局域在了某个位置。其中图(i)(ii)(iii)(iv)分别是在频率7.7GHz、7.8GHz、8.0GHz和8.4GHz的电场分布，有图中可以看出电磁波被束缚在了特定位置。

本发明的调控装置可以动态并且准确的调控人工表面等离激元单元结构的波传播特性，从而实现对人工表面等离激元波的调控，并进一步实现基于人工表面等离激元的逻辑门、数字移相器以及可控慢波结构。