传输特性动态可切换的人工表面等离激元传输线设计

陈俊凡,张大维,2,王宇宙,孙亚秀,姜 弢,吴 群,张 狂

(1.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,哈尔滨,150001;2.毫米波国家重点实验室,南京,210096;3.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨,150001)

表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种存在于金属-电介质界面上的光波频段的表面电磁波。它的电磁能量沿着分界面切线方向传播,而在法线方向呈指数衰减。由于其独特的场约束特性,SPPs可以显著增强表面电磁波与传播界面之间的相互作用。但是,在微波和太赫兹频段,金属的导体特性使得SPPs不再具有良好的场约束能力[1]。为了解决这个问题,学者们提出了一种由孔和凹槽阵列形成的等离子体超材料,被称为人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)[2]。它是一种人工设计的周期性金属结构,可以在微波频段继承光波频段的表面等离激元特征,并具有强场束缚、低损耗、可调控、小型化、易集成等优点。通过在空间波导模式和SSPP之间采用高效模式转换[3-7],人工等离子体超材料可以在传统的微波平面电路中用作SSPP传输线。在无源器件方面,研究主要集中在滤波器和天线的设计上。人工表面等离激元的高频抑制特性为通带、阻带等滤波器的设计提供了多种可能性[8-10]。此外,还可以通过将SSPPs转变为定向辐射波来设计天线[11-14]。

相比于无源器件,引入可调谐元件的有源器件的设计实现了更灵活的功能,并且不再受固有结构的限制。由此,基于SSPPs的可调谐器件和系统由于其灵活性和功能多样性已成为最先进的无线通信技术之一。具有代表性的如耦合器和隔离器,通过与变容二极管集成的SSPP可重构耦合器可以在正向和反向模式之间切换状态[15-16]。此外,通过使用隔离器的非互易设备,集成电子器件的小型化研究已经发展[17]。因此,基于SSPPs的有源器件和系统具有广泛的应用前景。

本文提出了一种传输特性动态可切换的人工表面等离激元传输线的设计方法。通过在短路枝节中加载PIN二极管构造SSPP单元,实现了对SSPPs模式的实时调控。通过改变PIN二极管的位置构造SSPP传输线的过渡结构,实现了传输线在带通与带阻传输特性之间的动态切换,为后续应用研究提供新的思路和选择。

1 单元设计与分析

为使单元结构能够具有动态可调特性的功能,设计了一种由微带线及垂直与它的加载PIN二极管的金属短截线的单元,结构为表层金属(加载二极管)—介质板—金属地板。其中介质板采用正切损耗小且成本低廉的F4B介质(εr= 2.65,tanδ= 0.003),厚度为1 mm,表层金属结构为倒T型。表层金属和金属地板的材料为铜,厚度为0.035 mm,电导率为5.8×107S/m。表层金属中的短截线由两部分组成,中间被一个间隙隔开。为了对单元结构进行色散曲线仿真,在间隙处,使用有限体积介电模型来模拟处于关断状态的PIN二极管(导通状态的PIN二极管由金属薄片代替)[18-19]。短截线的上部通过金属过孔与金属地板相连。金属部分以黄色显示,而电介质部分以蓝色显示。通过仿真优化得到单元中各参数长度为:s= 1 mm,b= 5.6 mm,w= 3 mm,d= 7 mm,g= 1mm。如图1所示。

(a)单元模型示意图 (b)短路等效模型 (c)开路等效模型

图1(d)展示了所提出的SSPP单元结构的色散曲线图。通过对相位差实现从0°～180°的扫参即可得到微带倒T型SSPP单元的色散曲线图。从图中可以看出随着波数的增加,其表面波的色散曲线明显偏离光线,并逐渐趋近于一个渐进频率。根据上述方法,完美电导体(PEC)和无损电介质(相对介电常数εr=85)分别用于表示二极管的导通和截止状态。2种模式的渐近频率在截止状态下分别为3.98 GHz和11.61 GHz,在导通状态下为10.90 GHz。

PIN二极管选择SMP1320-040LF SOD-882,对应2种状态的二极管等效电路如图2所示[20]。在CST微波工作室中,可以通过2个并联的集总元件去表示这一等效模型。然而对单元求解的本征模求解器存在一定的局限性,无法对集总元件进行计算。因此,根据二极管的实际封装设计了尺寸为1.65 mm×1.35 mm×1.05 mm的无损介质块,通过模拟,其相对介电常数εr为85时与集总元件模型的参数最拟合。

图2 PIN二极管等效电路图

可以看到,SSPPs的强场约束特性使得无论二极管处于哪种状态,色散曲线都会不同程度偏离光线。当研究可调带通SSPP传输线时,可以通过观察模式1(导通状态)的渐近频率来获得相应S21曲线的上截止频率,而当研究可调带阻SSPP传输线时则对应截止状态下的2个模式的渐进频率。二极管处于截止状态下的2个模式的色散曲线的渐近频率可以用来获得对应传输线的带宽。因此,我们可以通过分析色散曲线来预测2种情况下传输线的带宽和截止频率。

此外,枝节长度和单元周期宽度也会对色散曲线的渐进频率产生影响。随着枝节长度的增加,SSPP单元的色散曲线偏离光线程度也逐渐增加,如图3所示。而随着单元周期宽度增加,也有同样的结果,如图4所示。

(a)导通时模式1的色散曲线

(a)导通时模式1的色散曲线

综上所述,当人工表面等离激元单元结构中的枝节长度和单元周期宽度发生变化时,其等离激元共振条件也会随之发生改变,进而影响其色散曲线。当枝节长度增加时,单元内的等离激元场会在结构中更加强烈地相互耦合,导致共振频率下降,从而使得色散曲线整体向低频方向平移。而当单元周期宽度增加时,单元内的等离激元场会在结构中呈现出更强的空间周期性,导致等离激元共振频率进一步下降,从而使得色散曲线更加向低频方向倾斜。

2 SSPP传输线设计与仿真结果

基于上述设计的SSPP单元结构具有良好的场抑制能力,以及依靠二极管通断改变特性的能力,本文设计了一种基于上述单元的SSPP传输线结构。

与扫描单元结构相位时的所用的电介质块相比,在仿真传输特性时,时域求解器不再限制集总元件的使用,通常可以用更接近实际性能的集总等效模型来表示二极管。图5(a)为所设计出的传输线结构的整体示意图。传输线由11个带PIN二极管的级联单元组成。电介质基板的总体尺寸设定W= 28.8 mm,L= 119 mm。图5(b)为过渡段的设计。过渡短截线的长度L1= 2.6 mm,L2= 3.6 mm,L3= 4.6 mm。图5(c)为周期性结构,条带宽度为2.8 mm。从第1个金属短截线到边缘的距离T=10 mm。其他参数与图1所示单元结构参数相同。文中所提出传输线的仿真S参数如图6所示。

(a)整体结构设计

(a)二极管导通

为了获得短路结构的S参数,应该将2个串联集总元件的参数调整为二极管导通时的参数,从而使得表面金属可以与金属地连接。在图6(a)中,当二极管处于导通状态时,传输特性显示为通带,仿真S11低于-10 dB的通带范围为2.74～9.50 GHz。同时,当二极管处于断开状态时,阻带特性曲线如图6(b)所示。带外抑制优于-20 dB的阻带范围为3.21～6.57 GHz。

为了更直观地观察通带切换效果,在模型仿真过程中于2 GHz、5 GHz、8 GHz 3个频点处添加场监视器,从而观察对应的近场分布,如图7所示。

(a)二极管导通

根据二极管导通时的仿真S参数结果,通带范围是2.91～10.24 GHz,而从图7(a)～(c)的场分布图中可以看出,2 GHz频点处为阻带,传输线右端口没有电磁信号传出,而5 GHz与8 GHz处于通带内,有明显的信号能量传播。同理二极管截止时的3个频率点处的场分布图也能与S参数体现的双通带对应。

综上所述,通过S参数曲线可以观察到通过二极管的动态控制,实现了通带与阻带两种传输特性的切换,且通带具有较宽的频率范围。场分布图也可也较好地映照上述通带与阻带效果。阻带特性对应的截止频率可以和色散曲线的渐近频率较好的吻合。

3 实测结果分析与讨论

为了验证本文提出的设计方法以及分析该传输线结构的实际性能,我们对其进行了样品加工及测试。样品实物图如图8所示。通过将测试结果与仿真结果进行比较,可得图9所示的对比结果。

图8 加工实物图

(a)二极管导通

在实验过程中,通过外置电源时PIN二极管施加偏置电压,从而实现对二极管通断的同步控制,最终获取了S参数曲线数据。

从S参数图中可以看出,实测结果与仿真结果呈现的趋势具有较好的一致性。由于加工误差以及二极管器件的寄生电阻的影响,使得实际测试中产生了轻微的阻抗失配以及插入损耗的增大(仿真过程中忽略了金属损耗以及二极管器件的影响)。虽然存在微小频偏,但在误差范围影响内所设计的可切换通带功能很好的达到了预期,验证了本文方法的有效性。在未来的工作中,一方面对仿真模型进行优化,充分考虑二极管寄生电阻对S参数的影响,进而提高仿真与实测结果的拟合程度;另一方面从优化设计结构角度降低二极管的寄生电阻,从而改善插入损耗性能,如采用双二极管并联的方式加载器件[21]。

4 结语

本文通过加载周期性PIN二极管来实现传输特性动态可调的SSPP传输线。当二极管分别处于导通和截止2种状态时,单元结构等效为在短路和开路2种不同状态下工作,从而实现了SSPPs模式的动态调控。在此基础上,所提出的SSPP传输线可以在2种传输特性之间动态切换,即带通和带阻特性。当二极管导通时对应带通特性,实测S11低于-10 dB的频带范围为2.67～9.47 GHz。当二极管截止时对应带阻特性,实测带外抑制优于-20 dB的阻带可从4.04～5.54 GHz。通过比较,实测与仿真结果的趋势吻合良好。同时,S21曲线中的上、下截止频率也与色散曲线基本保持一致。本文工作在基于SSPPs的可重构微波器件领域具有良好应用前景。