傳輸特性動(dòng)態(tài)可切換的人工表面等離激元傳輸線設(shè)計(jì)

陳俊凡,張大維,2,王宇宙,孫亞秀,姜 弢,吳 群,張 狂

(1.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱,150001;2.毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210096;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱,150001)

表面等離激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一種存在于金屬-電介質(zhì)界面上的光波頻段的表面電磁波。它的電磁能量沿著分界面切線方向傳播,而在法線方向呈指數(shù)衰減。由于其獨(dú)特的場(chǎng)約束特性,SPPs可以顯著增強(qiáng)表面電磁波與傳播界面之間的相互作用。但是,在微波和太赫茲頻段,金屬的導(dǎo)體特性使得SPPs不再具有良好的場(chǎng)約束能力[1]。為了解決這個(gè)問題,學(xué)者們提出了一種由孔和凹槽陣列形成的等離子體超材料,被稱為人工表面等離激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)[2]。它是一種人工設(shè)計(jì)的周期性金屬結(jié)構(gòu),可以在微波頻段繼承光波頻段的表面等離激元特征,并具有強(qiáng)場(chǎng)束縛、低損耗、可調(diào)控、小型化、易集成等優(yōu)點(diǎn)。通過在空間波導(dǎo)模式和SSPP之間采用高效模式轉(zhuǎn)換[3-7],人工等離子體超材料可以在傳統(tǒng)的微波平面電路中用作SSPP傳輸線。在無源器件方面,研究主要集中在濾波器和天線的設(shè)計(jì)上。人工表面等離激元的高頻抑制特性為通帶、阻帶等濾波器的設(shè)計(jì)提供了多種可能性[8-10]。此外,還可以通過將SSPPs轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蜉椛洳▉碓O(shè)計(jì)天線[11-14]。

相比于無源器件,引入可調(diào)諧元件的有源器件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更靈活的功能,并且不再受固有結(jié)構(gòu)的限制。由此,基于SSPPs的可調(diào)諧器件和系統(tǒng)由于其靈活性和功能多樣性已成為最先進(jìn)的無線通信技術(shù)之一。具有代表性的如耦合器和隔離器,通過與變?nèi)荻O管集成的SSPP可重構(gòu)耦合器可以在正向和反向模式之間切換狀態(tài)[15-16]。此外,通過使用隔離器的非互易設(shè)備,集成電子器件的小型化研究已經(jīng)發(fā)展[17]。因此,基于SSPPs的有源器件和系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文提出了一種傳輸特性動(dòng)態(tài)可切換的人工表面等離激元傳輸線的設(shè)計(jì)方法。通過在短路枝節(jié)中加載PIN二極管構(gòu)造SSPP單元,實(shí)現(xiàn)了對(duì)SSPPs模式的實(shí)時(shí)調(diào)控。通過改變PIN二極管的位置構(gòu)造SSPP傳輸線的過渡結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了傳輸線在帶通與帶阻傳輸特性之間的動(dòng)態(tài)切換,為后續(xù)應(yīng)用研究提供新的思路和選擇。

1 單元設(shè)計(jì)與分析

為使單元結(jié)構(gòu)能夠具有動(dòng)態(tài)可調(diào)特性的功能,設(shè)計(jì)了一種由微帶線及垂直與它的加載PIN二極管的金屬短截線的單元,結(jié)構(gòu)為表層金屬(加載二極管)—介質(zhì)板—金屬地板。其中介質(zhì)板采用正切損耗小且成本低廉的F4B介質(zhì)(εr= 2.65,tanδ= 0.003),厚度為1 mm,表層金屬結(jié)構(gòu)為倒T型。表層金屬和金屬地板的材料為銅,厚度為0.035 mm,電導(dǎo)率為5.8×107S/m。表層金屬中的短截線由兩部分組成,中間被一個(gè)間隙隔開。為了對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行色散曲線仿真,在間隙處,使用有限體積介電模型來模擬處于關(guān)斷狀態(tài)的PIN二極管(導(dǎo)通狀態(tài)的PIN二極管由金屬薄片代替)[18-19]。短截線的上部通過金屬過孔與金屬地板相連。金屬部分以黃色顯示,而電介質(zhì)部分以藍(lán)色顯示。通過仿真優(yōu)化得到單元中各參數(shù)長(zhǎng)度為:s= 1 mm,b= 5.6 mm,w= 3 mm,d= 7 mm,g= 1mm。如圖1所示。

(a)單元模型示意圖 (b)短路等效模型 (c)開路等效模型

圖1(d)展示了所提出的SSPP單元結(jié)構(gòu)的色散曲線圖。通過對(duì)相位差實(shí)現(xiàn)從0°～180°的掃參即可得到微帶倒T型SSPP單元的色散曲線圖。從圖中可以看出隨著波數(shù)的增加,其表面波的色散曲線明顯偏離光線,并逐漸趨近于一個(gè)漸進(jìn)頻率。根據(jù)上述方法,完美電導(dǎo)體(PEC)和無損電介質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)εr=85)分別用于表示二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。2種模式的漸近頻率在截止?fàn)顟B(tài)下分別為3.98 GHz和11.61 GHz,在導(dǎo)通狀態(tài)下為10.90 GHz。

PIN二極管選擇SMP1320-040LF SOD-882,對(duì)應(yīng)2種狀態(tài)的二極管等效電路如圖2所示[20]。在CST微波工作室中,可以通過2個(gè)并聯(lián)的集總元件去表示這一等效模型。然而對(duì)單元求解的本征模求解器存在一定的局限性,無法對(duì)集總元件進(jìn)行計(jì)算。因此,根據(jù)二極管的實(shí)際封裝設(shè)計(jì)了尺寸為1.65 mm×1.35 mm×1.05 mm的無損介質(zhì)塊,通過模擬,其相對(duì)介電常數(shù)εr為85時(shí)與集總元件模型的參數(shù)最擬合。

圖2 PIN二極管等效電路圖

可以看到,SSPPs的強(qiáng)場(chǎng)約束特性使得無論二極管處于哪種狀態(tài),色散曲線都會(huì)不同程度偏離光線。當(dāng)研究可調(diào)帶通SSPP傳輸線時(shí),可以通過觀察模式1(導(dǎo)通狀態(tài))的漸近頻率來獲得相應(yīng)S21曲線的上截止頻率,而當(dāng)研究可調(diào)帶阻SSPP傳輸線時(shí)則對(duì)應(yīng)截止?fàn)顟B(tài)下的2個(gè)模式的漸進(jìn)頻率。二極管處于截止?fàn)顟B(tài)下的2個(gè)模式的色散曲線的漸近頻率可以用來獲得對(duì)應(yīng)傳輸線的帶寬。因此,我們可以通過分析色散曲線來預(yù)測(cè)2種情況下傳輸線的帶寬和截止頻率。

此外,枝節(jié)長(zhǎng)度和單元周期寬度也會(huì)對(duì)色散曲線的漸進(jìn)頻率產(chǎn)生影響。隨著枝節(jié)長(zhǎng)度的增加,SSPP單元的色散曲線偏離光線程度也逐漸增加,如圖3所示。而隨著單元周期寬度增加,也有同樣的結(jié)果,如圖4所示。

(a)導(dǎo)通時(shí)模式1的色散曲線

(a)導(dǎo)通時(shí)模式1的色散曲線

綜上所述,當(dāng)人工表面等離激元單元結(jié)構(gòu)中的枝節(jié)長(zhǎng)度和單元周期寬度發(fā)生變化時(shí),其等離激元共振條件也會(huì)隨之發(fā)生改變,進(jìn)而影響其色散曲線。當(dāng)枝節(jié)長(zhǎng)度增加時(shí),單元內(nèi)的等離激元場(chǎng)會(huì)在結(jié)構(gòu)中更加強(qiáng)烈地相互耦合,導(dǎo)致共振頻率下降,從而使得色散曲線整體向低頻方向平移。而當(dāng)單元周期寬度增加時(shí),單元內(nèi)的等離激元場(chǎng)會(huì)在結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出更強(qiáng)的空間周期性,導(dǎo)致等離激元共振頻率進(jìn)一步下降,從而使得色散曲線更加向低頻方向傾斜。

2 SSPP傳輸線設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)的SSPP單元結(jié)構(gòu)具有良好的場(chǎng)抑制能力,以及依靠二極管通斷改變特性的能力,本文設(shè)計(jì)了一種基于上述單元的SSPP傳輸線結(jié)構(gòu)。

與掃描單元結(jié)構(gòu)相位時(shí)的所用的電介質(zhì)塊相比,在仿真?zhèn)鬏斕匦詴r(shí),時(shí)域求解器不再限制集總元件的使用,通常可以用更接近實(shí)際性能的集總等效模型來表示二極管。圖5(a)為所設(shè)計(jì)出的傳輸線結(jié)構(gòu)的整體示意圖。傳輸線由11個(gè)帶PIN二極管的級(jí)聯(lián)單元組成。電介質(zhì)基板的總體尺寸設(shè)定W= 28.8 mm,L= 119 mm。圖5(b)為過渡段的設(shè)計(jì)。過渡短截線的長(zhǎng)度L1= 2.6 mm,L2= 3.6 mm,L3= 4.6 mm。圖5(c)為周期性結(jié)構(gòu),條帶寬度為2.8 mm。從第1個(gè)金屬短截線到邊緣的距離T=10 mm。其他參數(shù)與圖1所示單元結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。文中所提出傳輸線的仿真S參數(shù)如圖6所示。

(a)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(a)二極管導(dǎo)通

為了獲得短路結(jié)構(gòu)的S參數(shù),應(yīng)該將2個(gè)串聯(lián)集總元件的參數(shù)調(diào)整為二極管導(dǎo)通時(shí)的參數(shù),從而使得表面金屬可以與金屬地連接。在圖6(a)中,當(dāng)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),傳輸特性顯示為通帶,仿真S11低于-10 dB的通帶范圍為2.74～9.50 GHz。同時(shí),當(dāng)二極管處于斷開狀態(tài)時(shí),阻帶特性曲線如圖6(b)所示。帶外抑制優(yōu)于-20 dB的阻帶范圍為3.21～6.57 GHz。

為了更直觀地觀察通帶切換效果,在模型仿真過程中于2 GHz、5 GHz、8 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)處添加場(chǎng)監(jiān)視器,從而觀察對(duì)應(yīng)的近場(chǎng)分布,如圖7所示。

(a)二極管導(dǎo)通

根據(jù)二極管導(dǎo)通時(shí)的仿真S參數(shù)結(jié)果,通帶范圍是2.91～10.24 GHz,而從圖7(a)～(c)的場(chǎng)分布圖中可以看出,2 GHz頻點(diǎn)處為阻帶,傳輸線右端口沒有電磁信號(hào)傳出,而5 GHz與8 GHz處于通帶內(nèi),有明顯的信號(hào)能量傳播。同理二極管截止時(shí)的3個(gè)頻率點(diǎn)處的場(chǎng)分布圖也能與S參數(shù)體現(xiàn)的雙通帶對(duì)應(yīng)。

綜上所述,通過S參數(shù)曲線可以觀察到通過二極管的動(dòng)態(tài)控制,實(shí)現(xiàn)了通帶與阻帶兩種傳輸特性的切換,且通帶具有較寬的頻率范圍。場(chǎng)分布圖也可也較好地映照上述通帶與阻帶效果。阻帶特性對(duì)應(yīng)的截止頻率可以和色散曲線的漸近頻率較好的吻合。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析與討論

為了驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)方法以及分析該傳輸線結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能,我們對(duì)其進(jìn)行了樣品加工及測(cè)試。樣品實(shí)物圖如圖8所示。通過將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,可得圖9所示的對(duì)比結(jié)果。

圖8 加工實(shí)物圖

(a)二極管導(dǎo)通

在實(shí)驗(yàn)過程中,通過外置電源時(shí)PIN二極管施加偏置電壓,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二極管通斷的同步控制,最終獲取了S參數(shù)曲線數(shù)據(jù)。

從S參數(shù)圖中可以看出,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果呈現(xiàn)的趨勢(shì)具有較好的一致性。由于加工誤差以及二極管器件的寄生電阻的影響,使得實(shí)際測(cè)試中產(chǎn)生了輕微的阻抗失配以及插入損耗的增大(仿真過程中忽略了金屬損耗以及二極管器件的影響)。雖然存在微小頻偏,但在誤差范圍影響內(nèi)所設(shè)計(jì)的可切換通帶功能很好的達(dá)到了預(yù)期,驗(yàn)證了本文方法的有效性。在未來的工作中,一方面對(duì)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化,充分考慮二極管寄生電阻對(duì)S參數(shù)的影響,進(jìn)而提高仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的擬合程度;另一方面從優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)角度降低二極管的寄生電阻,從而改善插入損耗性能,如采用雙二極管并聯(lián)的方式加載器件[21]。

4 結(jié)語

本文通過加載周期性PIN二極管來實(shí)現(xiàn)傳輸特性動(dòng)態(tài)可調(diào)的SSPP傳輸線。當(dāng)二極管分別處于導(dǎo)通和截止2種狀態(tài)時(shí),單元結(jié)構(gòu)等效為在短路和開路2種不同狀態(tài)下工作,從而實(shí)現(xiàn)了SSPPs模式的動(dòng)態(tài)調(diào)控。在此基礎(chǔ)上,所提出的SSPP傳輸線可以在2種傳輸特性之間動(dòng)態(tài)切換,即帶通和帶阻特性。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)帶通特性,實(shí)測(cè)S11低于-10 dB的頻帶范圍為2.67～9.47 GHz。當(dāng)二極管截止時(shí)對(duì)應(yīng)帶阻特性,實(shí)測(cè)帶外抑制優(yōu)于-20 dB的阻帶可從4.04～5.54 GHz。通過比較,實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的趨勢(shì)吻合良好。同時(shí),S21曲線中的上、下截止頻率也與色散曲線基本保持一致。本文工作在基于SSPPs的可重構(gòu)微波器件領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。