自封装基片集成的领结胞元人工表面等离子体激元传输线转让专利
申请号 : CN202010082493.3
文献号 : CN111326840B
文献日 : 2021-04-27
发明人 : 吴永乐 , 潘镭丹 , 王卫民 , 杨雨豪 , 魏一文 , 吴昊鹏 , 马莉
申请人 : 北京邮电大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种自封装基片集成的领结胞元人工表面等离子体激元传输线,其特征在于,包括:自上而下依次设置的第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)、第四介质板(4)以及第五介质板(5),其中:
所述第一介质板(1)的上表层和下表层均为金属层;
所述第二介质板(2)的上表层和下表层均为两个互不接触的、且沿着所述第二介质板的长度方向的中心线对称的金属层,所述第二介质板(2)的中心具有第一通槽(203);
所述第三介质板(3)的上表层和下表层均为两个互不接触的、且沿着所述第三介质板的长度方向的中心线对称的金属层,所述第三介质板(3)还包括位于所述第三介质板(3)的上表层与下表层之间的中间层,所述中间层上布设有信号线(303),所述信号线(303)沿着所述第三介质板(3)的长度方向布设在第三介质板(3)的中间层的中央,从所述信号线(303)的一端到另一端,所述信号线(303)依次具有第一背衬导体共面波导段(3031)、第一带状线段(3032)、第一悬浮共面波导段(3033)、人工表面等离子体激元段(3034)、第二悬浮共面波导段(3035)、第二带状线段(3036)以及第二背衬导体共面波导段(3037),所述第三介质板(3)的上表层和下表层的中心均具有盲槽(304),所述人工表面等离子体激元段(3034)包括多个中间开设菱形槽的领结胞元,每个所述领结胞元的长度尺寸从左边至中间逐渐增大,再从中间至右边逐渐减小;
所述第四介质板(4)的上表层和下表层均为两个互不接触的、且沿着所述第四介质板(4)的长度方向的中心线对称的金属层,所述第四介质板(4)的中心具有第二通槽(403);
所述第五介质板(5)的上表层和下表层均为金属层;
所述第一介质板(1)的金属层、所述第二介质板(2)的金属层、所述第三介质板(3)的金属层、所述第四介质板(4)的金属层以及所述第五介质板(5)的金属层均为电线接地端,所述各个电线接地端通过贯穿所述第一介质板(1)、所述第二介质板(2)、所述第三介质板(3)、所述第四介质板(4)以及所述第五介质板(5)的金属通孔(6)相连。
2.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述第一介质板(1)的两端均具有第三通槽(103),所述第二介质板(2)的两端均具有第四通槽(204),所述第三通槽(103)以及所述第四通槽(204)构成的两个裸露空间使得所述第三介质板(3)的上表层的金属层的两端以及所述信号线(303)的两端裸露。
3.根据权利要求2所述的传输线,其特征在于,还包括输入端口和输出端口,所述输入端口和输出端口分别位于所述两个裸露空间内;其中:所述输入端口具有两个接地端和信号端,所述输入端口的信号端与所述第一背衬导体共面波导段(3031)焊接、所述输入端口的两个接地端分别与位于所述第一背衬导体共面波导段(3031)两侧的第三介质板(3)的上表层的金属层的端部焊接、且与第五介质板(5)的下表层焊接;所述输出端口具有两个接地端和信号端,所述输出端口的信号端与所述第二背衬导体共面波导段(3037)焊接,所述输出端口的两个接地端分别与位于所述第二背衬导体共面波导段(3037)两侧的第三介质板(3)的上表层的金属层的端部焊接、且与第五介质板(5)的下表层焊接。
4.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述金属通孔(6)包括第一金属通孔(601),所述第一金属通孔(601)贯穿设置在所述第一介质板(1)、所述第二介质板(2)、所述第三介质板(3)、所述第四介质板(4)以及所述第五介质板(5)的四周,所述第一金属通孔(601)安装有螺栓。
5.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述金属通孔(6)包括第二金属通孔(602),所述第二金属通孔(602)贯穿设置在所述第一介质板(1)、所述第二介质板(2)、所述第三介质板(3)、所述第四介质板(4)以及所述第五介质板(5)的两端。
6.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述金属通孔(6)包括第三金属通孔(603),所述第三金属通孔(603)均贯穿设置在所述第三介质板(3)、所述第四介质板(4)以及所述第五介质板(5)上、且布设在位于所述第一背衬导体共面波导段(3031)以及所述第二背衬导体共面波导段(3037)的两侧的第三介质板(3)的上表层的金属层所在的区域。
7.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述第一通槽(203)、所述盲槽(304)以及所述第二通槽(403)均为方形孔,所述第一通槽(203)、所述盲槽(304)以及所述第二通槽(403)之间对齐。
8.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述第三介质板(3)的上表层的盲槽(304)为四个内角具有椭圆过渡曲线段的方形孔。
9.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述第一介质板(1)还包括位于所述第一介质板(1)的上表层和下表层之间的中间层,所述第一介质板(1)的中间层的厚度为
0.6mm;
所述第二介质板(2)还包括位于所述第二介质板(2)的上表层和下表层之间的中间层,所述第二介质板(2)的中间层的厚度为1.6mm;
所述第三介质板(3)的中间层的厚度为0.508mm;
所述第四介质板(4)还包括位于所述第四介质板(4)的上表层和下表层之间的中间层,所述第四介质板(4)的中间层的厚度为1.6mm;
所述第五介质板(5)还包括位于所述第五介质板(5)的上表层和下表层之间的中间层,所述第五介质板(5)的中间层的厚度为0.6mm。
10.根据权利要求1所述的传输线,其特征在于,所述第一介质板(1)的金属层、所述第二介质板(2)的金属层、所述第三介质板(3)的金属层以及信号线(303)、所述第四介质板(4)的金属层以及所述第五介质板(5)的金属层的厚度均为0.035mm。
说明书 :
自封装基片集成的领结胞元人工表面等离子体激元传输线
技术领域
背景技术
传输线的损耗;然而,这对于频率较高的微波信号来说,难以达到预期的低损耗要求。此外,
在一些应用场合使用传输线时,传输线还需要具有一些其他的功能,例如,高频抑制功能和
低辐射功能。
子,可以减少信号传输过程中的信号损耗,降低信号传输过程中的外界高频信号的影响,以
及降低信号传输过程中的信号向外界的辐射,提高了传输信号的保密性,因此,具有低损耗
以及低辐射等优点。第二种传输线为人工表面等离子体激元传输线(Spoof Surface
Plasmon Polaritons,SSPP),其具有抑制高频信号功能,可以在信号传输过程中减少外界
带来的高频噪声或干扰信号。
变得非常复杂,并且也不具有高频抑制功能;在使用第二种传输线时,在信号传输过程中信
号泄露较多,以及向外辐射的信号也很多,不具有低损耗以及低辐射功能。
发明内容
技术方案如下:
五介质板,其中:
与下表层之间的中间层,所述中间层上布设有信号线,所述信号线沿着所述第三介质板的
长度方向布设在第三介质板的中间层的中央,从所述信号线的一端到另一端,所述信号线
依次具有第一背衬导体共面波导(Conductor Backed Coplanar Waveguide,CBCPW)段、第
一带状线段、第一悬浮共面波导段、人工表面等离子体激元段、第二悬浮共面波导段、第二
带状线段以及第二背衬导体共面波导段,所述第三介质板的上表层和下表层的中心均具有
盲槽;
地端通过贯穿所述第一介质板、所述第二介质板、所述第三介质板、所述第四介质板以及所
述第五介质板的金属通孔相连。
上表层的金属层的两端以及所述信号线的两端裸露。
段两侧的第三介质板的上表层的金属层的端部焊接、且与第五介质板的下表层焊接;所述
输出端口具有两个接地端和信号端,所述输出端口的信号端与所述第二背衬导体共面波导
段焊接,所述输出端口的两个接地端分别与位于所述第二背衬导体共面波导段两侧的第三
介质板的上表层的金属层的端部焊接、且与第五介质板的下表层焊接。
周,所述第一金属通孔安装有螺栓。
端。
共面波导段以及所述第二背衬导体共面波导段的两侧的第三介质板的上表层的金属层所
在的区域。
0.035mm。
五介质板,其中:第一介质板的上表层和下表层均为金属层;第二介质板的上表层和下表层
均为两个互不接触的、且沿着第二介质板的长度方向的中心线对称的金属层,第二介质板
的中心具有第一通槽;第三介质板的上表层和下表层均为两个互不接触的、且沿着所述第
三介质板的长度方向的中心线对称的金属层,第三介质板还包括位于第三介质板的上表层
与下表层之间的中间层,中间层上布设有信号线,信号线沿着第三介质板的长度方向布设
在第三介质板的中间层的中央,从信号线的一端到另一端,信号线依次具有第一背衬导体
共面波导段、第一带状线段、第一悬浮共面波导段、人工表面等离子体激元段、第二悬浮共
面波导段、第二带状线段以及第二背衬导体共面波导段,第三介质板的上表层和下表层的
中心均具有盲槽;第四介质板的上表层和下表层均为两个互不接触的、且沿着第四介质板
的长度方向的中心线对称的金属层,第四介质板的中心具有第二通槽;第五介质板的上表
层和下表层均为金属层;第一介质板的金属层、第二介质板的金属层、第三介质板的上表面
的接地板、第三介质板的下表面的金属层、第四介质板的金属层以及第五介质板的金属层
均为电线接地端,各个电线接地端通过贯穿第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介
质板以及第五介质板的金属通孔相连。采用本发明实施例提供的技术方案,可以通过第一
通槽、第二通槽以及金属通孔形成的电磁屏蔽空间,可以降低信号传输过程中的信号损耗,
减少了信号传输过程中向外辐射的信号,通过信号线中的人工表面等离子体激元段可以实
现信号传输过程中的高频抑制性能,并且,采用的第一介质板、第二介质板、第三介质板、第
四介质板以及第五介质板可以通过压合的方式进行固定,具有高集成度等优点。
附图说明
发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以
根据这些附图获得其他的附图。
图;
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
介质板3、第四介质板4以及第五介质板5,其中:
的中间层,中间层上布设有信号线303,信号线303沿着第三介质板3的长度方向布设在第三
介质板3的中间层的中央,从信号线303的一端到另一端,信号线303依次具有第一背衬导体
共面波导段3031、第一带状线段3032、第一悬浮共面波导段3033、人工表面等离子体激元段
3034、第二悬浮共面波导段3035、第二带状线段3036以及第二背衬导体共面波导段3037,第
三介质板3的上表层和下表层的中心均具有盲槽304;
质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4以及第五介质板5的金属通孔6相连。
间,可以降低信号传输过程中的信号损耗,减少了信号传输过程中向外辐射的信号,通过信
号线303中的人工表面等离子体激元段可以实现信号传输过程中的高频抑制性能,并且,采
用的第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4以及第五介质板5可以通过压
合的方式进行固定,具有高集成度等优点。
3034、第二悬浮共面波导段3035、第二带状线段3036以及第二背衬导体共面波导段3037中
的相邻的两段可以通过梯形的过渡传输单元用于辅助阻抗匹配,以实现信号的高效率传
输。
包括第一半金属层2011和第二半金属层2012,第一半金属层2011和第二半金属层2012为两
个互不接触的、且沿着第二介质板2的长度方向的中心线对称的金属层;将第二介质板2的
下表层记为第四金属层202,第四金属层202包括第三半金属层2021和第四半金属层2022,
第三半金属层2021和第四半金属层2022为两个互不接触的、且沿着第二介质板2的长度方
向的中心线对称的金属层;将第三介质板3的上表层记为第五金属层301,第五金属层301包
括第五半金属层3011和第六半金属层3012,第五半金属层3011和第六半金属层3012为两个
互不接触的、且沿着第三介质板3的长度方向的中心线对称的金属层;将第三介质板3的下
表层记为第六金属层302,第六金属层302包括第七半金属层3021和第八半金属层3022,第
七半金属层3021和第八半金属层3022为两个互不接触的、且沿着第三介质板3的长度方向
的中心线对称的金属层;将第四介质板4的上表层记为第七金属层401,第七金属层401包括
第九半金属层4011和第十半金属层4012,第九半金属层4011和第十半金属层4012为两个互
不接触的、且沿着第四介质板4的长度方向的中心线对称的金属层;将第四介质板4的下表
层记为第八金属层402,第八金属层402包括第十一半金属层4021和第十二半金属层4022,
第十一半金属层4021和第十二半金属层4022为两个互不接触的、且沿着第四介质板4的长
度方向的中心线对称的金属层;将第五介质板5的上表层记为第九金属层501,将第五介质
板5的下表层记为第十金属层502。
间。
尺寸的长方体,本发明实施例在此不作限制。
可以调整为其他尺寸,本发明实施例在此不作限制。
可以调整为其他尺寸,本发明实施例在此不作限制。
可以调整为其他尺寸,本发明实施例在此不作限制。
可以调整为其他尺寸,本发明实施例在此不作限制。
实际的使用需求,第一介质板1的金属层、第二介质板2的金属层、第三介质板3的金属层以
及信号线303、第四介质板4的金属层以及第五介质板5的金属层的厚度也可以调整为其他
尺寸,本发明实施例在此不作限制。
料。
的金属层的两端以及信号线303的两端裸露,以便安装SMA接头(Small A Type)测试使用。
介质板3的上表层的金属层的端部焊接、且与第五介质板5的下表层焊接;
介质板3的上表层的金属层的端部焊接、且与第五介质板5的下表面焊接。
合。
601安装有螺栓,有利于对传输线的各介质板进行压合。
的第一金属通孔601与第三介质板3上的第一金属通孔601可以对齐,第一金属通孔601的半
径可以为1.6mm。
602按照第二直线方向排列,并且该第二直线方向上具有第二带状线段3036所在的点;第一
介质板1、第二介质板2、第四介质板4以及第五介质板5上的第二金属通孔602与第三介质板
3上的第二金属通孔602对齐;第二金属通孔602的半径可以为0.5mm。
第一带状线段3032、第二带状线段3036以及第二背衬导体共面波导段3037的两侧的第三介
质板3的上表层的金属层所在的区域;第三金属通孔603的半径可以为0.2mm。
xb为盲槽304的短边的长度;图中的参数具体如下:w1=2.161mm,s1=0.391mm,lt1=
1.2mm,lt2=0.97mm,w2=1.022mm,lt3=0.97mm,lt4=2.1mm,w3=3.2mm,l3=12mm,s3=
0.231mm,w4=3.6mm,l4=42mm,w5=2.654mm,l5=4mm,d=6mm,c1=2mm,c2=4mm,a=
18.225mm,b=37mm,xa=148.2mm,xb=40.112mm。
损耗,图6中的横坐标表示传输信号的频率(Frequency),图6中的纵坐标表示损耗的散射参
数(Scattering Parameters);由图6可知,传统的领结胞元SSPP传输线在传输频率为0‑
4GHz之间的信号时的插入损耗高于2dB,传统的领结胞元SSPP传输线在传输频率为4‑9GHz
之间的信号时的插入损耗平均在1.5dB左右。如图7所示,图7中的S11表示本发明传输线在传
输不同频率的信号时的回波损耗,图7中的S21表示本发明传输线在传输不同频率的信号时
的插入损耗,图7中的横坐标表示传输信号的频率,图7中的纵坐标表示损耗的散射参数,由
图7可知,本发明传输线在传输频率为8GHz以下的信号时的插入损耗均小于1dB,本发明传
输线在传输全频带内的信号时的插入损耗均小于2dB,相较于传统的SSPP传输线,插入损耗
整体降低了0.5dB‑1dB。
Air‑Filled Spoof Surface Plasmon Polaritons Line with Inherent Low Loss and
Deep Upper‑Frequency Suppression)所标示的曲线为在本发明传输线在传输不同频率的
信号时的功率损耗示意图,图8中的SSPP所标示的曲线为传统的领结胞元SSPP传输线在传
2 2
输不同频率的信号时的功率损耗示意图;具体的,根据公式Losses=1‑|S11|‑|S21| ,可以
分别计算出传统的领结胞元SSPP传输线以及本发明传输线的功率损耗,其中,Losses表示
功率损耗,相较于传统的领结胞元SSPP传输线,本发明传输线的功率损耗明显改善,减少了
信号传输过程中的信号损耗;其中,主要是通过上述的电磁屏蔽空间的电磁屏蔽作用,减小
自由空间损耗来实现的。
电场的俯视图,图12提供了一种本发明传输线的辐射电场的侧视图;结合图9、图10、图11以
及图12,我们可以发现,相比于传统的领结胞元SSPP传输线,本发明传输线的辐射电场束缚
在上述的电磁屏蔽空间内,可以降低传输信号过程中向外界的辐射。
输线上方2.2mm处的垂直方向的辐射场强的坐标示意图,该垂直方向为传输线上方2.2mm处
的水平面上与水平方向垂直且垂点为传输线正中心的方向;图13中的SSPP所标示的曲线为
在传统的领结胞元SSPP传输线上方2.2mm处的水平方向的辐射场强的坐标示意图,图13中
的SPSIAF‑SSPPL所标示的曲线为在本发明传输线上方2.2mm处的水平方向的辐射场强的坐
标示意图,图14中的SSPP所标示的曲线为在传统的领结胞元SSPP传输线上方2.2mm处的垂
直方向的辐射场强的坐标示意图,图14中的SPSIAF‑SSPPL所标示的曲线为在本发明传输线
上方2.2mm处的垂直方向的辐射场强的坐标示意图;图13的横坐标表示水平方向的归一化
距离(Normalized Distance),即对水平方向的距离进行归一化处理后的距离,水平方向的
距离为位于传输线正中心0‑148.2mm范围内;图13的纵坐标表示水平方向的辐射场强
(Horizontal NearE Total),单位为V/m;图14的横坐标表示垂直方向的归一化距离,即对
垂直方向的距离进行归一化处理后的距离,垂直方向的距离为位于距离传输线正中心0‑
40mm范围内;图14的纵坐标表示垂直方向的辐射场强(Vertical NearE Total),单位为V/
m;对于本发明传输线来说,由于所传输的信号是通过信号线303的一端传输到信号线303的
另一端,以及第二介质板2具有厚度,所以,图13中的SPSIAF‑SSPPL所标示的曲线为在本发
明传输线SPSIAF‑SSPPL中的第二金属层102上方的0.092mm水平方向的辐射场强的坐标示
意图,所以,图14中的SPSIAF‑SSPPL所标示的曲线为在本发明传输线SPSIAF‑SSPPL中的第
二金属层102上方的0.092mm垂直方向的辐射场强的坐标示意图。经过对比可以发现,在水
平方向,传统的领结胞元SSPP传输线的辐射场强基本维持在2000V/m左右,而本发明传输线
在40V/m左右振荡;在垂直方向,传统的领结胞元SSPP传输线的辐射场强平均大约在1000V/
m左右,而本发明传输线在30V/m左右振荡。由此可见,相比于传统的领结胞元SSPP传输线,
本发明传输线大大地减小了传输信号过程中的辐射场强,降低了传输信号过程中向外界的
辐射,不易对外界系统中的信号造成干扰;并且,电路中传输的信号能够具有很好的保密
性,不易被外界的探测系统所侦察。
线图,具体如图15所示;参考图16,图16为本发明传输线在传输不同频率的信号时的另一种
能量损耗图,图16中的S11表示本发明传输线在传输不同频率的信号时的回波损耗,图16中
的S21表示本发明传输线在传输不同频率的信号时的插入损耗,图16中的横坐标表示传输信
号的频率,图16中的纵坐标表示损耗的散射参数。从图15和图16可知,HFSS以及CST的仿真
结果基本一致,即本发明传输线中的单个胞元的色散曲线图的截止频率在9.4GHz左右;本
发明传输线的过渡频带很窄,本发明传输线在传输不同频率的信号时的插入损耗为‑3dB对
应的信号的频率与插入损耗为‑20dB对应的信号的频率的频率差为600MHz,可见,对于本发
明传输线,基本在600MHz内能够实现20dB的信号衰减,且衰减后的信号从10GHz‑20GHz能够
保持在‑20dB以下,本发明传输线具有较好的高频抑制性能;如果将本发明传输线应用于各
个子系统中进行并联,能够取得更加优异的高频抑制效果。
在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在
包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
内。