一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面；所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用下产生单向磁表面等离激元波；所述第一方环铁氧体体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合。本申请四端口环形器具有小型化、重量轻、低损耗、高传输效率等优点，可广泛应用于微波通信系统中。系统中。系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器


[0001]本专利技术涉及微波器件
，尤其涉及一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器。

技术介绍

[0002]环形器作为控制电磁波单向传输的非互易器件，能够实现电磁波从一个端口输入，而从其它指定的端口输出，在避免接、发信号之间干扰、保护信号源等方面具有十分重要的作用。在航空航天、雷达和微波通讯系统中有着广泛的应用。目前，就大部分环形器而言存在结构复杂、不易设计和损耗较大等缺陷且有关四端口环形器的相关研究则相对较少。因此，在微波段设计一种体积小、重量轻和高性能的微波器件已成为通讯领域关注的焦点。
[0003]近年来，随着新型人工电磁超材料领域的飞速发展，设计等离激元器件已经掀起了一股研究热潮。在低频段，人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)受到了众多学者的广泛关注，它是一种高度局部化的表面波，这种表面波能够沿弯曲、螺旋等柔性、可共形的超薄SSPPs波导上表现出良好的传输特性。由于其具有很强场束缚能力和实现电磁能量的低损耗、高效率传输等特性，基于此来设计各种等离激元微波器件，引起了人们的极大关注。它的出现为实现器件朝小型化、紧凑型的方向发展开辟了新的途径和设计方案。
[0004]微波铁氧体是实现非互易电磁器件的核心，利用铁氧体的旋磁特性制作各种器件(如环形器、隔离器和移相器)，微波铁氧体技术的不断发展，使微波
进入新的阶段。
[0005]在微波段利用铁氧体(YIG)上磁表面等离激元来调控电磁波传输的单向性。在铁氧体上施加一定强度的磁场时，磁表面等离激元就会出现在铁氧体的表面。在一定频率范围内，这种磁表面等离激元模式的传播方向是单向的。基于磁表面等离激元模式的单向性可以设计包括环形器在内的各种非互易器件。
[0006]相比于现有的微带铁氧体环形器而言，本专利技术设计在高性能、小型化、易于设计和重量轻等方面具有明显的优势。

技术实现思路

[0007]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，其具有重量轻、高隔离性能、低插入损耗和回波损耗，用以解决现有的环形器损耗高且结构复杂等问题。
[0008]一方面，本专利技术实施例提供了一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面；
[0009]所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用
下产生单向磁表面等离激元波；
[0010]所述两个方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层；
[0011]所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合。
[0012]进一步，所述内部SSPPs波导包括两个平行设置的梳状波导，每个梳状波导具有两个端口；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片位于两个梳状波导之间，且对称设置在两个梳状波导的上下侧。
[0013]进一步，当在两个方环铁氧体片上施加恒定的磁场时，方环铁氧体片表面产生单向磁表面等离激元波，利用单向磁表面等离激元波与SSPPs的耦合效应，使得从内部SSPPs波导各端口输入的电磁波定向耦合至指定端口输出，实现单向传输。
[0014]进一步，通过改变外加磁场的方向，可以改变方环铁氧体中磁表面等离激元波的环绕方向，进而改变内部SSPPs波导各端口对应的所述指定端口。
[0015]进一步，所述金属层的高度与所述方环铁氧体片的内、外侧壁高度相同；所述金属层的材质优选为铜。
[0016]进一步，所述两个梳状波导结构相同，每个梳状波导均包括：金属凹槽结构，金属叶片；
[0017]在金属凹槽结构的每一端的两侧均对称设置两个金属叶片；所述两个金属叶片形成扩口结构。
[0018]进一步，所述金属凹槽结构包括一体成型的矩形金属片、梯度凹槽结构以及矩形凹槽结构；所述梯度凹槽结构位于矩形凹槽结构的两侧并向矩形凹槽结构倾斜，所述矩形金属片位于梯度凹槽结构的两侧；所述金属叶片包括靠近矩形金属片的第一叶片和远离矩形金属片的第二叶片；所述矩形金属片与设置在其上下两侧的第一叶片形成共面波导；
[0019]所述共面波导用于接收外部输入的电磁波并转换为导波进行传输；所述梯度凹槽结构用于将导波转换为SSPPs波，所述矩形凹槽结构用于传输SSPPs波。
[0020]进一步，所述梯度凹槽结构的倾斜角为：
[0021]θ表示梯度凹槽结构的倾斜角；L3表示梯度凹槽结构的长度，W0表示梯度凹槽结构的宽度。
[0022]进一步，所述内部SSPPs波导还包括柔性基板，所述两个梳状波导印制在所述柔性基板上。
[0023]进一步，所述方环铁氧体片的材质为钇铁石榴石。
[0024]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
[0025]1.本申请的四端口环形器包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面，结构设计新颖，金属地平面、铁氧体和SSPPs波导之间形成牢固的稳定结构，确保等离激元环形器具有可靠的机械和电磁性能。
[0026]2.本申请各结构部件尺寸均在几十毫米的量级，使得整体结构具有小型化、重量轻、结构设计简单、易实现、成本低和可靠性强等优点。
[0027]3.在微波频段(9.7—10.3GHz)内，本申请四端口环形器具有低损耗、高传输效率
和隔离的单向传输特性。这在微波通信系统中，保护信号源、波分复用和信号的定向传输等方面有着极大的应用前景。
[0028]本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0029]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0030]图1为一个实施例中四端口环形器结构示意图；
[0031]图2为一个实施例中金属地平面、方环铁氧体以及梳状波导结构尺寸示意图；
[0032]图3为一个实施例中电磁波从端口port1入射时的电场分布图；
[0033]图4为一个实施例中电磁波从端口port2入射时的电场分布图；
[0034]图5为一个实施例中电磁波从端口port3入射时的电场分布图；
[0035]图6为一个实施例中电磁波从端口port4入射时的电场分布图；
[0036]图7为一个实施例中电磁波从端口1入射时的S参量曲线图；、
[0037]图8为一个实施例中电磁波从端口2入射时的S参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面；所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用下产生单向磁表面等离激元波；所述两个方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合。2.根据权利要求1所述的四端口环形器，其特征在于，所述内部SSPPs波导包括两个平行设置的梳状波导，每个梳状波导具有两个端口；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片位于两个梳状波导之间，且对称设置在两个梳状波导的上下侧。3.根据权利要求2所述的四端口环形器，其特征在于，当在两个方环铁氧体片上施加恒定的磁场时，方环铁氧体片表面产生单向磁表面等离激元波，利用单向磁表面等离激元波与SSPPs的耦合效应，使得从内部SSPPs波导各端口输入的电磁波定向耦合至指定端口输出，实现单向传输。4.根据权利要求3所述的四端口环形器，其特征在于，通过改变外加磁场的方向，可以改变方环铁氧体中磁表面等离激元波的环绕方向，进而改变内部SSPPs波导各端口对应的所述指定端口。5.根据权利要求1所述的四端口环形器，其特征在于，所述金属层的高度与所述方环铁氧体片...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈晓鹏，甄姝，韩建飞，周彦廷，袁浙蒙，韩奎，王伟华，李海鹏，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：