基于人工表面等离激元的小型化电可调缺口带滤波器

具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景.本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器.与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比,所提出的倒山形单元的色散曲线表现出更好的慢波特性,渐近频率降低至原来的55%.缺口带的频率可通过调整变容二极管两端的偏置电压来动态控制.随着偏置电压从0.5 V增至30 V,缺口带频率从2.1 GHz移动到2.3 GHz,实现动态调节.仿真结果表明,缺口带滤波器通带内实现了较低的插入损耗(S_(21)<-1 dB)和良好的回波损耗(S_(11)>-10 dB),并且具有小型化的优势,尺寸仅为0.78λ_(g)×0.35λ_(g),λ_(g)是中心频率处的波长.采用印刷电路板技术实际加工了缺口带滤波器.实物测量和仿真结果吻合较好,验证了设计的可靠性.

面向极端环境的石墨烯人工表面等离激元天线阵

面向极端环境中的通信与探测需求,提出一种石墨烯人工表面等离激元天线阵。该天线采用高导电石墨烯薄膜材料制成,结构形式为人工表面等离激元。其中,人工表面等离激元电磁结构分为传输段与辐射段,传输段用以实现显著的慢波特性与场局域性,进而获得低剖面与小型化;辐射段用以实现高定向性的端射辐射,并进行方向图合成。高导电石墨烯薄膜使天线拥有多种物化环境下的耐受性。经仿真与实测验证,天线整体剖面为50μm,在1000次弯折试验、-200~200℃高低温试验、酸性试验、碱性试验、盐雾试验的极端条件试验后,能够提供5.5~6.5 GHz频段范围内S11参数小于-10 dB良好的阻抗匹配,工作带宽内峰值增益为9.3 dBi。

基于人工表面等离子激元的宽带谐振天线

针对传统微带和介质谐振天线(DRA)带宽较窄和尺寸较大的问题,提出了一种基于人工表面等离子激元波导谐振腔的宽带天线。该天线人工表面等离子激元(SSPPs)波导由对称的H型单元结构组成,谐振腔由同轴探针馈电,利用波导单元偶模和奇模两种模式的色散特性,实现了天线带宽的显著增大。该天线工作频段为8.8~12.4 GHz,相对带宽为33.9%。在工作频带内,天线的辐射效率大于92%,最大增益达到了6.8 dBi。此外,天线为低剖面结构,整体尺寸较小,结构简单,利于各种无线通信和传感系统的集成。

宽阻带的人工表面等离子激元微带低通滤波器

针对传统的人工表面等离子激元(SSPPs)微波滤波器的带外抑制水平较弱的问题,设计并制作了一款采用新颖蝶形结构的小型化SSPPs宽阻带微带低通滤波器。首先,通过将传统的微带滤波器中的扇形结构与SSPPs理论相结合,设计了蝴蝶形结构的SSPPs结构单元,实现了较宽的阻带。为了提升滤波器的带外抑制水平,引入了对向箭头形谐振贴片,抑制了所提出滤波器在阻带内25 GHz处的寄生通带。通过仿真模拟单元结构的色散特性,实现了对SSPPs单元的优化设计。设计了一个完整的SSPPs滤波器结构并仿真分析了关键参数对整个滤波器性能的影响。使用F4B板材制作了金属-介质-金属(MIM)结构的该滤波器并对其性能进行了测量。结果显示,该滤波器的3-dB截止频率为10.08 GHz,阻带的最高频率可达33 GHz;通带内回波损耗均高于15 dB,插入损耗最高为2.6 dB;阻带最小衰减在11~35 GHz的范围内最低为22.98 dB,而回波损耗在10~30 GHz范围内基本优于3 dB,且在10~34 GHz范围内最高为4 dB。本设计的测试结果满足设计指标,带外抑制效果理想,可与混频器、信号发生器等器件集成以发挥更好的电路性能。

基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计

本文提出了一种基于人工表面等离激元的频率选择结构的设计方法:将设计的频率选择表面和金属鱼骨结构阵列相结合得到一种新的频率选择结构.文中采用这种方法设计了一种具有陡截止和高透、高抑制性能的双通带频率选择结构.该结构由金属鱼骨结构阵列和上下两层相同的频率选择表面复合而成.通过仿真可得,该结构的两个通带频率范围分别是3.0-4.1和10.5-10.9 GHz,透射率均在-0.5 dB以上.透射率低于-10 dB的频率范围是4.7-9.2和12.1-18 GHz.在12.4-15.5 GHz频率范围内,该结构的透射率甚至低于-20 dB.在通带内,电磁波可以高效地透过该结构;在阻带内,该结构对电磁波的透射具有较好的抑制作用.测试结果表明用这种方法设计出的频率选择结构的实际性能和仿真基本一致.在金属鱼骨结构空隙中填入轻质泡沫后该结构具有一定的力学承载性能,可以实现结构功能一体化的设计.

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式;层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多;在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.

基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强

为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率,设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦.研究表明,对于频率为0.1 THz的入射波,厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20μm左右(λ/150),探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍.研究还发现,周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.

基于人工表面等离子体激元带通滤波器的设计

设计了基于人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,spoof SPPs)的带通滤波器,在介质基板上覆上一层超薄金属铜,并将金属表面刻为周期波纹状金属条,同时结合马赫曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer,MZI),将金属条设计为MZI结构,并对MZI的干涉臂设计了两个取向相反的金属条结构,构成滤波器耦合部分,分析了耦合间距以及耦合单元个数对带通滤波器带宽的影响并进行了仿真。结果表明,该滤波器具有–3 d B从4.8 GHz到8.3 GHz的带宽。基于人工等离子体激元的带通滤波器的设计为今后人工表面等离子体在微波行业的应用提供了思路。

基于螺旋磁谐振单元的人工表面等离子体激元色散特性研究

针对人工表面等离子体激元(SSPPs)传输时损耗较大的问题,提出了一种基于超薄金属螺旋形单元的链式结构,并对链式结构的传输特性和色散特性进行仿真和分析。研究发现,利用5个螺旋单元结构组成的链式结构会出现5个谐振峰,这5个谐振峰分别对应5个磁谐振耦合模式。通过谐振法测定了相对应的色散特性,分别对螺旋臂宽度、中心圆半径以及基底厚度进行了参数扫描研究。结果表明,基于超薄金属螺旋单元的链式结构能够支持磁偶极子模式的人工表面等离激元的传播,并可以通过改变链式结构的模型参数来调制色散特性。

一种人工表面等离激元的小型化毫米波天线

设计了一款基于人工表面等离子体激元(Spoof Surface Plasma Polariton, SSPP)的小型化高效率定向辐射天线。在介质基板表面印刷了共面波导(CPW)、波矢匹配结构和SSPP传输线三种结构,其中波矢匹配结构与共面波导部分相结合,更好地完成阻抗匹配。此外,因人工表面等离子体激元可以将电场约束在天线表面的凹槽中,所以能使天线达到高效的定向辐射。测试结果表明:该天线工作带宽为26~32 GHz,最大增益达到10.44 dB,平均效率为94.3%,可应用于5G高频领域。

基于人工表面等离激元的多波束切换天线

文中提出了一种基于人工表面等离激元的多波束切换天线。该多波束切换天线由6个相同的端射天线围绕同一圆心旋转排列组成,相邻端射天线之间的夹角为60°,端射天线到圆心的距离均为70 mm。每个端射天线由馈源单极子、反射器和能产生人工表面等离激元的开口谐振环结构组成,实现了全向场到定向场的转换及辐射。仿真与测试结果表明,所设计天线在9~10. 8 GHz频段内可以实现波束切换的功能,且具有高增益的特性,平均峰值增益约为19. 3 dBi。

基于人工表面等离激元的小型化微波器件研究进展

人工表面等离激元(Spoof Surface Palsmon Polaritons,SSPP)是由入射电磁波与电磁媒质相互作用,导致媒质表面电子发生集体振荡,所产生的一种表面混合电磁模式,具有波动与粒子的双重性质.在空气一侧,SSPP表现出波动的性质,以电磁波的形式沿媒质界面纵向传输,而在界面法向,场以指数函数衰减;在电磁媒质一侧,SSPP表现为群电子振荡的性质,在法向,场依然按照指数函数衰减;并且,群电子振荡的振幅略小于电磁波波动的振幅.因此,SSPP具有诸多奇特的电磁性质,如场局域特性,深亚波长特性,以及非线性频率色散特性,等等,在微波电胳设计、天线设计、隐身材料与隐身结构设计、电子对抗等领域都具有非常重要的应用价值.文章主要综述了SSPP在小型化微波器件方面的研究进展,包括微波集成电路、滤波器、环形器、传感器、天线、涡旋波发生器等等,为小型化微波器件设计与应用提供借鉴.

太赫兹人工表面等离激元波的聚焦与放大研究

通过在金属线表面刻蚀周期性凹槽来构造一种新颖的平滑渐变结构,可将传统同轴波导支持的导行电磁波转换为沿金属线表面高效传播的人工表面等离激元波。数值仿真和实验比对结果验证了文中设计结构的宽带和高效转换效能。在此基础上,又构造了一种渐变锥形周期性金属结构,实现了太赫兹频段电磁波的场强聚焦与放大。

基于人工表面等离激元的天线研究进展

人工表面等离激元是在人工电磁媒质与传统材料界面激发的一种亚波长表面电磁模式,具有波长短、场局域增强、色散可调等新奇的电磁特性,在小型化微波器件、隐身材料与隐身结构、天线/天线罩等领域具有重要应用前景.文章综述了人工表面等离激元在天线中的应用研究进展,包括基于混合模式耦合、相位梯度超表面解耦、周期结构解耦等原理的端射天线、多波束天线、频扫天线,为新型天线的研发与应用提供技术支撑.

人工表面等离激元及其在微波频段的应用

在微波频段采用超薄锯齿状金属条带可实现人工表面等离激元,将电磁场能量束缚在亚波长区域内传播。该文分析了人工表面等离激元特有的高束缚、低损耗、可调控等优点,研究了人工表面等离激元波导作为一种新型的高性能传输线在微波电路中的应用价值和发展现状,探讨了这一技术的发展方向和前景。

基于谐振耦合和人工表面等离激元的可调控频率选择铁电厚膜移相器

移相器作为一类重要的微波功能器件,在军事和民用领域有着重要的应用。不同于传统的铁电厚膜移相器,本文将电谐振器、人工表面等离激元(SSPP)和铁电厚膜三者结合进行设计,利用电谐振器与人工表面等离激元传输结构的耦合特性,并引入铁电厚膜的介电非线性,提出了一种具有频率选择特性的电可调铁电厚膜移相器。通过基于人工表面等离激元的铁电厚膜移相器理论分析了移相器结构设计的可行性,并通过系统仿真对设计的可行性进行了验证。通过仿真不同电谐振器结构下移相器的S参数曲线验证了本文设计的移相器具有可设计的频率选择特性。

基于沙漏形人工表面等离激元和交指电容结构的双频滤波器设计

本文提出了一种在共面波导(coplanar waveguide,CPW)上加载沙漏形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)和交指电容结构的双通带滤波器.首先,在共面波导传输线上引入了沙漏形SSPP单元结构和交指电容结构,以获得高分数带宽、低插损的通带特性.然后,通过加载交指电容环路谐振器激发陷波,形成双通带滤波器.仿真结果表明,所提出的双通带滤波器具有良好的上边带抑制和双通带滤波性能.两个通带的相对带宽分别为46.8%(1.49—2.40 GHz)和15.1%(2.98—3.63 GHz),可在4.77—7.48 GHz的范围内实现超过—40 dB的抑制,且可通过改变相应的结构参数独立调控两个通带的上、下截止频率.为深入了解双通带滤波器的工作原理,给出了相应的色散曲线和电场分布、LC等效电路分析.最后,根据优化后参数数值,加工出滤波器原型实物.实验结果与仿真结果吻合良好,由此表明提出的双通带滤波器在微波频率的集成电路应用中具有重要意义.

一种基于人工表面等离子体激元的小型化低剖面天线

针对高度集成化移动设备对贴片天线小型化与低剖面的需求,提出了一款基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的小型化高效率低剖面端射天线,通过在传统孔型单元中引入叉指分支,可有效减小SSPPs传输线的宽度,从而实现天线小型化。该设计结合SSPPs传输线非对称结构和导向枝节结构,实现了天线的端射,并兼具单层低剖属性。实测结果表明,该天线的工作带宽为8.68~9.25 GHz,且在整个工作带宽范围内天线的平均增益和辐射效率分别达到10.05 dB和91.5%。

基于戟形人工表面等离激元的紧凑型宽带外抑制带通滤波器

提出了一种基于戟形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)的具有宽频带外抑制特性的紧凑型宽带带通滤波器.设计的滤波结构是通过在基板底层蚀刻周期性的戟形槽和在顶层加载带有月牙形贴片的微带到槽线过渡结构实现的.与传统的I形SSPPs相比,戟形SSPPs具有更好的慢波特性,基于戟形SSPPs设计的带通滤波器可以实现更紧凑的结构.设计的滤波器通带的上下截止频率可以分别通过调整SSPPs结构和微带到槽线过渡结构来调节.仿真结果表明,宽带带通滤波器中心频率为2.85 GHz,相对带宽为130%,通带内的回波损耗优于–10 dB,在5.6-20.0 GHz之间具有极强的–40 dB带外抑制.设计的宽带带通滤波器结构尺寸紧凑,仅为1.08λ_(g)×0.39λ_(g),其中λ_(g)是中心频率处的波长.为了验证宽带带通滤波器的有效性,采用传统的印刷电路板技术加工了宽带带通滤波器.测量结果与仿真结果吻合较好,验证了设计的可行性.本文所提出的宽带带通滤波器显示了在微波频率下开发SSPPs功能器件和电路的良好前景.

人工局域表面等离激元诱导的超透射（英文）

利用有限元方法研究了理想导体薄膜中齿状孔阵列在微波频段的超透射现象.齿状结构的引入使得孔阵列的透射谱发生红移,在更深的亚波长区实现全透射.近场分析表明分布在齿状孔上的局域态对红移起了关键作用.研究发现单个齿孔支持人工局域表面等离激元多极子模式,与超透射相关的是偶极子模式.该研究方案可以推广到红外与太赫兹频段.