基于微波平面传输线的人工表面等离激元传输调控研究

论文摘要

人工表面等离激元是一种具有类似光波段上表面等离激元特性的表面电磁模式,探索在微波和太赫兹频段人工表面等离激元机理及其传输特性研究是本论文的任务。人工表面等离激元展现出的这些奇异特性在微波段的应用必将让传统微波器件性能的改善产生颠覆性的效果。然而,人工表面等离激元在传统微波平面电路中的实际应用尚存许多限制需要进一步解决。因此,本论文基于几种经典微波平面传输线的应用场景,包括双导体结构的共面波导和微带线以及基片集成波导,开展了对人工表面等离激元高效激励和传输调控的研究,旨在解决传统单导体结构在微波平面电路实际应用中的不足,并实现人工表面等离激元多样化的传输特性调控,促进其在微波新型功能器件中的发展。提出并研究了基于微波平面传输线的人工表面等离激元单元,实现了人工表面等离激元基模以及高阶模式的有效激励。同时,还研究了人工表面等离激元的传输调控方法,并分别实现了单频带、双频带及宽带的带阻传输调控和宽带的带通传输调控。本文的主要内容概括如下:（1）通过研究双导体人工表面等离激元基模激励的机制,提出了一种基于共面波导的双导体人工表面等离激元单元,揭示了单元所支持模式的色散特性并提取了单元阻抗。设计了与共面波导的平滑过渡结构,对人工表面等离激元传输特性进行了仿真优化与实验测试,显著提高了工作频带低端的传输效率（实测的反射系数在低于7.2GHz的频带内低于-10dB）,验证了人工表面等离激元基模的高效激励机制。（2）考虑到双导体人工表面等离激元采用高阶模式的激励,提出了两种基于微波平面传输线（共面波导和微带线）的双导体互补凹槽单元,并设计了与传统微波平面电路无缝连接的过渡结构,分析了单元所支持的高阶模式的色散特性。通过仿真优化和实验测试,验证了人工表面等离激元高阶模式的高效宽带激励,高阶模式工作带宽分别从单导体单元的1.52GHz和2.85GHz提高到了11.75GHz和11.94GHz,反射系数在工作频带内均基本低于-10dB。（3）为了实现人工表面等离激元的带阻传输调控,通过加载开环谐振器的方式对基于共面波导的双导体人工表面等离激元单元进行改进。分析了单元所支持模式的色散特性并提取了单元的阻抗曲线,揭示了开环谐振器开口朝向和分布位置对人工表面等离激元传输阻带的影响。通过仿真优化和实验测试,验证了人工表面等离激元的单频带、双频带和宽带的带阻传输特性,实测的传输系数优于-10dB的频带分别为5.72GHz到5.83GHz（单频带）、4.59GHz到4.65GHz与5.74GHz到5.82GHz（双频带）和6.67GHz到8.47GHz（宽带）。（4）通过改进人工表面等离激元的色散特性,研究了人工表面等离激元的带通传输调控方法。设计了一种基于开孔基片集成波导的人工表面等离激元单元,利用S参数提取和模式分析方法分析了单元所支持模式的色散特性。实现了由微带线的高效激励,仿真优化和实验测试结果共同验证了对人工表面等离激元的带通传输调控,实测的相对带宽高达93.9%（4.51GHz到12.5GHz）,带内反射系数基本优于-10dB。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张大维

导师: 沙学军,吴群

关键词: 人工表面等离激元,微波平面传输线,双导体结构,激励,传输调控

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“人工电磁表面对微波波段电磁波的高效人工调控:机理与应用”(项目批准号:61571155)

分类号: TN811;O441

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000330

总页数: 130

文件大小: 5866K

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