傳輸特性動態可切換的人工表面等離激元傳輸線設計

陳俊凡,張大維,2,王宇宙,孫亞秀,姜 弢,吳 群,張 狂

(1.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院,哈爾濱,150001;2.毫米波國家重點實驗室,南京,210096;3.哈爾濱工業大學電子與信息工程學院,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衰減。由于其獨特的場約束特性,SPPs可以顯著增強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,金屬的導體特性使得SPPs不再具有良好的場約束能力[1]。為了解決這個問題,學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]。它是一種人工設計的周期性金屬結構,可以在微波頻段繼承光波頻段的表面等離激元特征,并具有強場束縛、低損耗、可調控、小型化、易集成等優點。通過在空間波導模式和SSPP之間采用高效模式轉換[3-7],人工等離子體超材料可以在傳統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計上。人工表面等離激元的高頻抑制特性為通帶、阻帶等濾波器的設計提供了多種可能性[8-10]。此外,還可以通過將SSPPs轉變為定向輻射波來設計天線[11-14]。

相比于無源器件,引入可調諧元件的有源器件的設計實現了更靈活的功能,并且不再受固有結構的限制。由此,基于SSPPs的可調諧器件和系統由于其靈活性和功能多樣性已成為最先進的無線通信技術之一。具有代表性的如耦合器和隔離器,通過與變容二極管集成的SSPP可重構耦合器可以在正向和反向模式之間切換狀態[15-16]。此外,通過使用隔離器的非互易設備,集成電子器件的小型化研究已經發展[17]。因此,基于SSPPs的有源器件和系統具有廣泛的應用前景。

本文提出了一種傳輸特性動態可切換的人工表面等離激元傳輸線的設計方法。通過在短路枝節中加載PIN二極管構造SSPP單元,實現了對SSPPs模式的實時調控。通過改變PIN二極管的位置構造SSPP傳輸線的過渡結構,實現了傳輸線在帶通與帶阻傳輸特性之間的動態切換,為后續應用研究提供新的思路和選擇。

1 單元設計與分析

為使單元結構能夠具有動態可調特性的功能,設計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,結構為表層金屬(加載二極管)—介質板—金屬地板。其中介質板采用正切損耗小且成本低廉的F4B介質(εr= 2.65,tanδ= 0.003),厚度為1 mm,表層金屬結構為倒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,中間被一個間隙隔開。為了對單元結構進行色散曲線仿真,在間隙處,使用有限體積介電模型來模擬處于關斷狀態的PIN二極管(導通狀態的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,而電介質部分以藍色顯示。通過仿真優化得到單元中各參數長度為: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單元結構的色散曲線圖。通過對相位差實現從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,并逐漸趨近于一個漸進頻率。根據上述方法,完美電導體(PEC)和無損電介質(相對介電常數εr=85)分別用于表示二極管的導通和截止狀態。2種模式的漸近頻率在截止狀態下分別為3.98 GHz和11.61 GHz,在導通狀態下為10.90 GHz。

PIN二極管選擇SMP1320-040LF SOD-882,對應2種狀態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個并聯的集總元件去表示這一等效模型。然而對單元求解的本征模求解器存在一定的局限性,無法對集總元件進行計算。因此,根據二極管的實際封裝設計了尺寸為1.65 mm×1.35 mm×1.05 mm的無損介質塊,通過模擬,其相對介電常數εr為85時與集總元件模型的參數最擬合。

圖2 PIN二極管等效電路圖

可以看到,SSPPs的強場約束特性使得無論二極管處于哪種狀態,色散曲線都會不同程度偏離光線。當研究可調帶通SSPP傳輸線時,可以通過觀察模式1(導通狀態)的漸近頻率來獲得相應S21曲線的上截止頻率,而當研究可調帶阻SSPP傳輸線時則對應截止狀態下的2個模式的漸進頻率。二極管處于截止狀態下的2個模式的色散曲線的漸近頻率可以用來獲得對應傳輸線的帶寬。因此,我們可以通過分析色散曲線來預測2種情況下傳輸線的帶寬和截止頻率。

此外,枝節長度和單元周期寬度也會對色散曲線的漸進頻率產生影響。隨著枝節長度的增加,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,也有同樣的結果,如圖4所示。

(a)導通時模式1的色散曲線

(a)導通時模式1的色散曲線

綜上所述,當人工表面等離激元單元結構中的枝節長度和單元周期寬度發生變化時,其等離激元共振條件也會隨之發生改變,進而影響其色散曲線。當枝節長度增加時,單元內的等離激元場會在結構中更加強烈地相互耦合,導致共振頻率下降,從而使得色散曲線整體向低頻方向平移。而當單元周期寬度增加時,單元內的等離激元場會在結構中呈現出更強的空間周期性,導致等離激元共振頻率進一步下降,從而使得色散曲線更加向低頻方向傾斜。

2 SSPP傳輸線設計與仿真結果

基于上述設計的SSPP單元結構具有良好的場抑制能力,以及依靠二極管通斷改變特性的能力,本文設計了一種基于上述單元的SSPP傳輸線結構。

與掃描單元結構相位時的所用的電介質塊相比,在仿真傳輸特性時,時域求解器不再限制集總元件的使用,通?？梢杂酶咏鼘嶋H性能的集總等效模型來表示二極管。圖5(a)為所設計出的傳輸線結構的整體示意圖。傳輸線由11個帶PIN二極管的級聯單元組成。電介質基板的總體尺寸設定W= 28.8 mm,L= 119 mm。圖5(b)為過渡段的設計。過渡短截線的長度L1= 2.6 mm,L2= 3.6 mm,L3= 4.6 mm。圖5(c)為周期性結構,條帶寬度為2.8 mm。從第1個金屬短截線到邊緣的距離T=10 mm。其他參數與圖1所示單元結構參數相同。文中所提出傳輸線的仿真S參數如圖6所示。

(a)整體結構設計

(a)二極管導通

為了獲得短路結構的S參數,應該將2個串聯集總元件的參數調整為二極管導通時的參數,從而使得表面金屬可以與金屬地連接。在圖6(a)中,當二極管處于導通狀態時,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,當二極管處于斷開狀態時,阻帶特性曲線如圖6(b)所示。帶外抑制優于-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個頻點處添加場監視器,從而觀察對應的近場分布,如圖7所示。

(a)二極管導通

根據二極管導通時的仿真S參數結果,通帶范圍是2.91～10.24 GHz,而從圖7(a)～(c)的場分布圖中可以看出,2 GHz頻點處為阻帶,傳輸線右端口沒有電磁信號傳出,而5 GHz與8 GHz處于通帶內,有明顯的信號能量傳播。同理二極管截止時的3個頻率點處的場分布圖也能與S參數體現的雙通帶對應。

綜上所述,通過S參數曲線可以觀察到通過二極管的動態控制,實現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。阻帶特性對應的截止頻率可以和色散曲線的漸近頻率較好的吻合。

3 實測結果分析與討論

為了驗證本文提出的設計方法以及分析該傳輸線結構的實際性能,我們對其進行了樣品加工及測試。樣品實物圖如圖8所示。通過將測試結果與仿真結果進行比較,可得圖9所示的對比結果。

圖8 加工實物圖

(a)二極管導通

在實驗過程中,通過外置電源時PIN二極管施加偏置電壓,從而實現對二極管通斷的同步控制,最終獲取了S參數曲線數據。

從S參數圖中可以看出,實測結果與仿真結果呈現的趨勢具有較好的一致性。由于加工誤差以及二極管器件的寄生電阻的影響,使得實際測試中產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所設計的可切換通帶功能很好的達到了預期,驗證了本文方法的有效性。在未來的工作中,一方面對仿真模型進行優化,充分考慮二極管寄生電阻對S參數的影響,進而提高仿真與實測結果的擬合程度;另一方面從優化設計結構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的方式加載器件[21]。

4 結語

本文通過加載周期性PIN二極管來實現傳輸特性動態可調的SSPP傳輸線。當二極管分別處于導通和截止2種狀態時,單元結構等效為在短路和開路2種不同狀態下工作,從而實現了SSPPs模式的動態調控。在此基礎上,所提出的SSPP傳輸線可以在2種傳輸特性之間動態切換,即帶通和帶阻特性。當二極管導通時對應帶通特性,實測S11低于-10 dB的頻帶范圍為2.67～9.47 GHz。當二極管截止時對應帶阻特性,實測帶外抑制優于-20 dB的阻帶可從4.04～5.54 GHz。通過比較,實測與仿真結果的趨勢吻合良好。同時,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的可重構微波器件領域具有良好應用前景。