基于人工表面等离激元的柔性微波器件研究

发布时间：2020-04-15 20:02

【摘要】：在过去的几年中,太赫兹和微波频率下的人工表面等离极化激元(SSPP)在微波器件和集成电路中受到了广泛的关注。这种单层金属导带传输结构的特点决定了它在柔性器件设计方面具有不可替代的优势,但是目前基于这种结构的柔性器件研究却很少。如今,经过半个多世纪的发展和不断的科学探索,各种柔性晶体管、柔性电子显示器、柔性天线和柔性滤波器等电路已经被开发并投入商业应用,同时其应用范畴也拓展到更多行业。柔性电路的特征在于处于弯曲状态的微波电路之间的可靠连接,它使用柔性衬底并且可通过传统光刻制造实现,工艺简单、高效、节约资源。为了与柔软的生物皮肤,器官和组织等曲面共形,电子器件需要具备良好的柔韧性。本文以两款人工表面等离激元单元结构为基础,构造人工表面等离极化激元柔性传输线,然后根据耦合器和功分器的设计理论,分别基于这两款传输线设计了柔性可控微波定向耦合器和柔性微波功分器,并对两款微波器件进行了实物加工和测试,证明了人工表面等离激元在微波柔性器件方面的可行性和所具有的独特优势。1.结合SP的概念对其理论进行详细分析,介绍了介质-金属截面的表面电磁波的形成,将SSP与此类比,结合理想导体中二维孔阵列的SSPP的原理,为之后的柔性SSPP传输线设计奠定理论基础。2.研究了S型单元结构的色散特性,基于这种SSP结构设计出一款柔性SSPP传输线,并进行了加工和测试,实验结果证明该传输线的性能对弯折具有不敏感性。进一步地,运用它设计了一款柔性可控微波定向耦合器,该结构可以通过设计不同的耦合间距实现具有不同耦合度的耦合器,测试结果表明它的耦合性能不受弯曲程度影响。3.研究了H型和U型单元结构的色散特性,基于这种SSP结构设计出一款柔性SSPP传输线,进一步地,利用这种结构设计了一款柔性微波功分器,并进行了仿真和测试,仿真结果表明这种结构提高了现有人工表面等离激元功分器的输出端口隔离度,测试结果表明它的功率分配性能不受弯曲程度的影响。
【图文】：

这些结构进行合理的结合也是一个需要突破的难题。（a）楔形缝隙金属槽 （b）金属块状结构图1.2 楔形缝隙结构和金属块状结构2012 年崔铁军教授提出了一种基于 PCB 工艺的在超薄柔性衬底上制作的共形结构，因为金属导带的厚度几乎为零，这种结构也支持具有一定传播曲率的表面电磁波。这种等离子超材料由梳状单元构成，如图 1.3（a）所示，金属的厚度是t，宽度是w，阵列的周期是d ，，槽的宽度是a。当厚度 接近无穷薄时，结构变为一维金属槽阵列。文章中分析了这种结构所支持的 SSPP 的色散曲线随着厚度和周期的变化而变化。文中还介绍了这种结构的制造设计和表征。因为它在亚波长尺寸具有非常好的电磁波约束能力

（a）梳状 CSP 结构 （b）梳状 CSP 结构的电场分布图1.3 梳状 CSP 模型及其电场分布与之前出现的 SSPP 结构不同，这种结构厚度薄，并且在亚波长尺寸对电磁波具有约束能力，损耗低，这对调控非常薄的金属薄膜表面电磁波的传播带来更大的自由度。进一步地，通过实物的加工测试证明了它的优良性能。如图 1.4 所示，分别展示了 CSP 样品在二维平面展示 CSP 螺旋性能和 3D 螺旋特性。螺旋曲率半径是 20mm和
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN12

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本文编号：2628927