一种基于铁电膜的实时可控波导结构

本发明属于波导技术领域，具体涉及一种基于铁电膜的实时可控波导结构。

背景技术：

随着大数据时代的到来，无线通讯信息容量迅猛增长，无线通讯系统要求能制造出集成度更高、工作特性更稳定、功能更多样化的微波器件。

然而传统模拟微波器件随着加工的完成，其功能即已固定，无法实时调控，这不利于微波器件去适应复杂的应用。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供一种基于铁电膜的实时可控波导结构，可实时调控其传输通带带宽，而且可实现宽频段阻抗匹配，降低反射损耗。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于铁电膜的实时可控波导结构，包括：

介质板；

金属微带，所述金属微带固定连接在所述介质板的一面上，所述金属微带的中部的两侧边均设有多个凹槽，多个所述凹槽构成人工表面等离激元结构；

周期性排布的金属块，所述金属块与所述凹槽一一对应，所述金属块分别设在对应所述凹槽内，并与所述介质板的一面固定连接；

多个铁电膜矩形谐振器，所述铁电膜矩形谐振器设在所述金属块的两侧，每两个所述铁电膜矩形谐振器位于一个所述凹槽内，所述铁电膜矩形谐振器与对应所述凹槽的槽壁之间留有耦合间隙，所述铁电膜矩形谐振器在加载外加电场时谐振频率改变。

本发明的有益效果是：(1)通过设置的凹槽和铁电膜矩形谐振器的配合作用，在加载外电场的作用下，铁电膜的介电常数变化，从而整个铁电膜矩形谐振器的谐振频率产生变化，使得波导的带边频率发生移动，实现了对波导带宽的灵活控制；

(2)通过设置的耦合间隙，可以使所施加的直流偏置电压无法到达主金属微带，不会对交流信号构成干扰，从而保证本实时可控波导结构的运行；

(3)本实时可控波导结构，其结构简单、传输损耗低、带宽灵活可控，抗电磁干扰能力强，适应于微波集成电路的发展。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，多个所述凹槽以所述金属微带的长度方向为中轴线镜像对称设置，两个镜像对称设置的所述凹槽为一组。

采用上述进一步方案的有益效果是：对微波的截止效果更好。

进一步，所述铁电膜矩形谐振器上的铁电膜为三种，三种所述铁电膜的介电常数按等差数列方式设置，每组所述凹槽内设置一种所述铁电膜矩形谐振器。

采用上述进一步方案的有益效果是：能够实现单独调节一种铁电膜矩形谐振器的谐振频率，从而调节更方便，更能实时调控金属微带的带宽。

进一步，三种所述铁电膜矩形谐振器为第一铁电膜矩形谐振器、第二铁电膜矩形谐振器和第三铁电膜矩形谐振器，所述金属微带的中部按从左到右的顺序依次设置所述第一铁电膜矩形谐振器、所述第二铁电膜矩形谐振器、所述第三铁电膜矩形谐振器、所述第三铁电膜矩形谐振器、所述第二铁电膜矩形谐振器和所述第一铁电膜矩形谐振器。

采用上述进一步方案的有益效果是：方便实时的分段调控，调控效果更好。

进一步，所述第一铁电膜矩形谐振器上的铁电膜的介电常数为100-700，所述第二铁电膜矩形谐振器上的铁电膜的介电常数为200-800，所述第三铁电膜矩形谐振器上的铁电膜的介电常数为300-900。

采用上述进一步方案的有益效果是：可实时调控人工等离激元传输线的带宽，能实现阻抗渐变，在宽频段范围内实现阻抗匹配。

进一步，还包括加载偏压焊盘和高阻带线，所述高阻带线的一端与设有所述铁电膜矩形谐振器的所述金属块的一端固定连接，所述高阻带线的另一端与所述加载偏压焊盘固定连接，所述加载偏压焊盘与所述介质板的一面固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：方便施加偏置电压，高阻带线能够阻隔交流信号，从而不会对直流偏压构成干扰。

进一步，所述金属微带包括人工表面等离激元段、两个过渡段和两个传输段，两个所述过渡段的一端分别与所述人工表面等离激元段的两端连接，两个所述过渡段的另一端分别与两个所述传输段的一端连接，两个所述传输段的另一端与所述介质板的两边的边缘齐平，所述凹槽位于所述人工表面等离激元段。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于电磁场传输。

进一步，两个所述过渡段的两侧边上均设有多个过度凹槽，多个所述过度凹槽沿对应所述过渡段的长度方向并列设置，并以所述过渡段的长度方向为中轴线镜像对称设置。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置的过度凹槽实现对微波模式的逐渐变换，能够防止电磁波的强烈反射。

进一步，所述过度凹槽的槽底沿所述过渡段朝所述人工表面等离激元段方向逐渐向中轴线倾斜，所述过度凹槽的槽底深度沿所述过渡段朝所述人工表面等离激元段方向逐渐增加。

采用上述进一步方案的有益效果是：实现了电磁场在传输段和人工表面等离激元段中传播的平稳过渡。

进一步，所述金属微带的两端的两侧均设有曲边金属地，所述曲边金属地与所述介质板的一面固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：提高对电磁场的束缚效果。

附图说明

图1为本发明实时可控波导结构的结构示意图；

图2为本发明实时可控波导结构的局部放大图；

图3为本发明实时可控波导结构的单元结构的色散特性图；

图4为本发明实时可控波导结构样品的s21参数曲线随铁电膜介电常数的变化关系图；

图5为本发明实时可控波导结构样品的s11参数曲线随铁电膜介电常数的变化关系图；

图6为本发明实时可控波导结构样品的群时延特性曲线图；

图7为本发明实时可控波导结构样品在工作频率为8ghz时电场法线方向分布图；

图8为本发明实时可控波导结构样品在工作频率为16ghz时电场法线方向分布图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、介质板，2、传输段，3、金属块，4、凹槽，5、人工表面等离激元段，6、过渡段，7、铁电膜矩形谐振器，8、耦合间隙，9、加载偏压焊盘，10、高阻带线，11、第一铁电膜矩形谐振器，12、第二铁电膜矩形谐振器，13、第三铁电膜矩形谐振器，14、曲边金属地，15、过度凹槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于铁电膜的实时可控波导结构，包括：介质板1，金属微带，周期性排布的金属块3和多个铁电膜矩形谐振器7。

金属微带固定连接在介质板1的一面上，金属微带的中部的两侧边均设有多个周期排布的凹槽4，多个凹槽4构成人工表面等离激元结构。金属块3与凹槽4一一对应，金属块3分别设在对应凹槽4内，并与介质板1的一面固定连接。铁电膜矩形谐振器7设在金属块3的两侧，每两个铁电膜矩形谐振器7位于一个凹槽4内，铁电膜矩形谐振器7与对应凹槽4的槽壁之间留有耦合间隙8，铁电膜矩形谐振器7在加载外加电场时谐振频率改变。

其中多个凹槽4沿金属微带的长度方向成阵列设置。每个金属块3位于对应凹槽4的中部位置，每个金属块3到凹槽4的槽壁距离相同。其中一个凹槽4内设有一个金属块3和两个铁电膜矩形谐振器7，两个铁电膜矩形谐振器7位于对应金属块3的两侧。通过在铁电膜矩形谐振器7上外加载偏压下，介电常数可连续变化的特点来实时调节波导的传输通带宽度，实时调控传输曲线的带边频率。

本实施例的技术方案可产生如下效果，通过设置的凹槽4和铁电膜矩形谐振器7的配合作用，在加载外电场的作用下，铁电膜的介电常数变化，从而整个铁电膜矩形谐振器7的谐振频率产生变化，使得波导的带边频率发生移动，实现了对波导带宽的灵活控制。通过设置的耦合间隙8，可以使所施加的直流偏置电压无法到达主金属微带，不会对交流信号构成干扰，从而保证本实时可控波导结构的运行。本实时可控波导结构，其结构简单、传输损耗低、带宽灵活可控，抗电磁干扰能力强，适应于微波集成电路的发展。

优选地，本实施例中，多个凹槽4以金属微带的长度方向为中轴线镜像对称设置，两个镜像对称设置的凹槽4为一组。使得对微波的截止效果更好。

优选地，本实施例中，铁电膜矩形谐振器7上的铁电膜为三种，三种铁电膜的介电常数按等差数列方式设置，每组凹槽4内设置一种铁电膜矩形谐振器7。通过设置的三种铁电膜矩形谐振器7能够实现单独调节一种铁电膜矩形谐振器7的谐振频率，从而调节更方便，更能实时调控金属微带的带宽。同时由于铁电膜的介电常数按等差数列设置，能实现阻抗渐变，在宽频段范围内实现阻抗匹配。

优选地，本实施例中，三种铁电膜矩形谐振器7为第一铁电膜矩形谐振器11、第二铁电膜矩形谐振器12和第三铁电膜矩形谐振器13，金属微带的中部按从左到右的顺序依次设置第一铁电膜矩形谐振器11、第二铁电膜矩形谐振器12、第三铁电膜矩形谐振器13、第三铁电膜矩形谐振器13、第二铁电膜矩形谐振器12和第一铁电膜矩形谐振器11。

其中，一共12个凹槽4内设有铁电膜矩形谐振器7中，共为6组凹槽4，使得微波依次经过第一铁电膜矩形谐振器11、第二铁电膜矩形谐振器12、第三铁电膜矩形谐振器13、第三铁电膜矩形谐振器13、第二铁电膜矩形谐振器12和第一铁电膜矩形谐振器11对应的凹槽4。从而方便实时的分段调控，调控效果更好。

优选地，本实施例中，第一铁电膜矩形谐振器11上的铁电膜的介电常数为100-700，第二铁电膜矩形谐振器12上的铁电膜的介电常数为200-800，第三铁电膜矩形谐振器13上的铁电膜的介电常数为300-900。可实时调控人工等离激元传输线的带宽，能实现阻抗渐变，在宽频段范围内实现阻抗匹配。

优选地，本实施例中，还包括加载偏压焊盘9和高阻带线10，高阻带线10的一端与设有铁电膜矩形谐振器7的金属块3的一端固定连接，高阻带线10的另一端与加载偏压焊盘9固定连接，加载偏压焊盘9与介质板1的一面固定连接。通过设置的加载偏压焊盘9来与外部电压连接，方便施加偏置电压。其中高阻带线10能够阻隔交流信号，从而不会对直流偏压构成干扰。

优选地，本实施例中，金属微带包括人工表面等离激元段5、两个过渡段6和两个传输段2，两个过渡段6的一端分别与人工表面等离激元段5的两端连接，两个过渡段6的另一端分别与两个传输段2的一端连接，两个传输段2的另一端与介质板1的两边的边缘齐平，凹槽4位于人工表面等离激元段5。其中两个过渡段63和两个传输段22均以人工表面等离激元段54对称设置。其中传输段22用于电磁场输入和电磁场输出，其中过渡段63能够实现电磁场平稳过渡。

优选地，本实施例中，两个过渡段6的两侧边上均设有多个过度凹槽15，多个过度凹槽15沿对应过渡段6的长度方向并列设置，并以过渡段6的长度方向为中轴线镜像对称设置。其中通过设置的过度凹槽15实现对微波模式的逐渐变换，能够防止电磁波的强烈反射。

优选地，本实施例中，过度凹槽15的槽底沿过渡段6朝人工表面等离激元段5方向逐渐向中轴线倾斜，过度凹槽15的槽底深度沿过渡段6朝人工表面等离激元段5方向逐渐增加。实现了电磁场在传输段2和人工表面等离激元段5中传播的平稳过渡，避免了电磁场由准tem模式转化为人工等离激元模式传播时因模式和阻抗不匹配而出现的强烈的微波电场反射。

优选地，本实施例中，金属微带的两端的两侧均设有曲边金属地14，曲边金属地14与介质板1的一面固定连接。其中曲边金属地14共有四个。提高对电磁场的束缚效果。

优选地，本实施例中，的介质板1的厚度为0.05-2.0mm，人工表面等离激元段5的长度为10-80mm，对应于图1上的l3，凹槽4的深度为0.05-6.0mm，凹槽4的宽度为0.15～5mm，相邻两个凹槽4的间距为0.5～5mm，金属块3的长度为0.02～5.0mm，宽度为0.05～4.8mm，铁电膜的厚度为0.001～0.02mm，铁电膜的相对介电常数为900-100。过渡段6的长度为10-40mm，对应于图1上的l2，传输段2的长度为10-30mm，对应于图1上的l1。过度凹槽15的宽度为0.15～2.5mm，深度为0.05-6.0mm，相邻两个过度凹槽15的间距为0.5～5mm。其中，凹槽和过度凹槽可为矩形凹槽。

工作原理：准tem模式的电磁场由左边的传输段2传输到过渡段6，在过渡段6中逐渐渐变为人工等离激元模式的电磁场，且在过渡段6中准tem模式和sspps模式的电磁场共存，当电磁场传输到人工表面等离激元段5时，完全转化为sspps模式的电磁场，并在人工表面等离激元段5进行传输，当通过设有铁电膜矩形谐振器7的凹槽4时，铁电膜矩形谐振器7的谐振使人工表面等离激元段5截止频率产生移动，使得波导的带宽发生实时调控。当施加外电场于铁电膜矩形谐振器7时，其铁电膜的介电常数会发生连续变化，造成铁电膜矩形谐振器7谐振频率降低，从而实时调控传输曲线带边频率及波导的带宽。

当电磁场在传输段2传播时，该段内电磁场的模式为准tem模式，该模式电磁场被束缚在传输段2与曲边金属地14之间的介质板1内。当电磁场在过渡段6传播时，该段内电磁场的模式为准tem模式与人工等离激元模式共存，其中准tem模式电磁场被束缚在过渡段6与曲边金属地14之间的介质板1内，人工等离激元模式电磁场被束缚在过度凹槽15周围。当电磁场在人工表面等离激元段5进行传播时，该段内电磁场的模式为人工等离激元模式，该模式电磁场被束缚在金属块3加载的凹槽4周围，可有效增加波导的电磁抗干扰能力。

本发明在人工表面等离激元段5上设置的金属块3，再利用基于铁电膜矩形谐振器7在两者缝隙处的加载，并可以通过外加偏置电压的控制铁电膜的介电常数，从而可以连续控制铁电膜矩形谐振器7的谐振频率，在传输曲线中实时调控波导带宽，从而实现多功能化。此外，本实时可控波导结构能让电磁场在平面传输时被束缚在凹槽4或过度凹槽15周围，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得本实时可控波导结构抗干扰能力大大增强，从而可减小微波集成电路的金属微带间的间距，以实现器件的小型化。而且本实时可控波导结构的带宽特性不仅可以由加载偏压的铁电膜矩形谐振器7来调节，也可以由周期性凹槽的深度来调节。使得实时可控波导结构具备多种通讯制式的工作能力，能有效减少通讯系统中器件个数，缩小系统的体积。

以下为采用上述实施例进行具体测量的情况。

根据上述实施例制备一个基于铁电膜的实时可控波导结构的样品，它各部分几何参数如下表所示。

该样品的介质板1采用介电常数为2.2的基片，对该实时可控波导结构样品的单元结构色散特性、波导散射参数及电磁场分布采用有限积分的计算结果如图3-8所示。

图3为单元结构的色散特性图，列举了光线及该实时可控波导结构样品的一个单元结构的一个模式的截止频率图，可以看出一个单元结构具有频率截止模式。

图4中s11为滤波器反射系数，图5中s21为滤波器传输系数。列举了该样品工作频段中的传输反射特性。

其中铁电膜矩形谐振器7在加载偏压后，本实时可控波导结构样品的带边频率随介电常数发生逐渐变化，随着铁电膜的相对介电常数的增大，通带宽度逐渐减小，也即是其带边截止频率可随外加偏压发生实时移动。

以第三铁电膜矩形谐振器13上的铁电膜的相对介电常数为400，第二铁电膜矩形谐振器12上的铁电膜的相对介电常数为300，第一铁电膜矩形谐振器11上的铁电膜的相对介电常数为200，为例，其-3db通带范围为2.44-13.29ghz，该带内反射系数均小于-9.5db，纹波抖动小于1.3db。

随着外加偏压，铁电膜的介电常数可由动态连续调节,当第三铁电膜矩形谐振器13上的铁电膜的相对介电常数从400逐渐增大到900时，第二铁电膜矩形谐振器12上的铁电膜的相对介电常数从300逐渐增大到800，第一铁电膜矩形谐振器11上的铁电膜的相对介电常数从200逐渐增大到700，波导-3db上的带边频率逐渐从13.45ghz减小到13.02ghz，从而实现波导带宽的动态控制。

由图6可知，该波导通带内群时延小于0.8ns，信号失真小。

对本实时可控波导结构样品，第三铁电膜矩形谐振器13上的铁电膜的相对介电常数为400，第二铁电膜矩形谐振器12上的铁电膜的相对介电常数为300，第一铁电膜矩形谐振器11上的铁电膜的相对介电常数为200，工作于8ghz时状态下的表面电场分布做计算，结果如图7所示。从图7可以看出本实时可控波导结构样品在通带内工作时，电磁能量可以顺利通过等离激元传输线传输到输出端，插入损耗小于1.0db。

对本实时可控波导结构样品，第三铁电膜矩形谐振器13上的铁电膜的相对介电常数为400，第二铁电膜矩形谐振器12上的铁电膜的相对介电常数为300，第一铁电膜矩形谐振器11上的铁电膜的相对介电常数为200，工作于16ghz阻带时状态下的表面电场分布做计算，结果如图8所示，从图8可以看出，此时，频率位于本实时可控波导结构样品的阻带内，电磁场能量不能通过本实时可控波导结构样品，且电场能量被局域于过度凹槽15的周围，向四周扩散很小，这使得本实时可控波导结构样品抗电磁干扰的能力大大加强。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。