2016, Vol. 38
Issue (6): 555-560
2. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 太赫兹固态技术重点实验室, 上海 200050;
3. 上海理工大学, 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2. Key Laboratory of Terahertz Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200050, China;
3. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
高宝线(Goubau line)是由Sommerfeld[1]首次提出, Goubau[2]最终经实验设计出的一种应用于高频电磁波的传输线, 其典型结构是在单根导体表面涂覆介质材料, 电磁波以表面波的形式在导体表面高效传播。同时由于在高宝线上传导的电磁波依附在导体表面区域, 可提高电磁波与物质的相互作用面, 因此高宝线可用于高灵敏传感[3]。相较其他种类的传输线, 高宝线的一个显著优点在于其在高频部分有更低的介质损耗, 这能够解决双平行线和同轴电缆在高频部分损耗过大的问题。此外, 高宝线更像是一种波导, 而不是应用于电路中的传输线路。相比于空间电磁波, 高宝线上传输的电磁波群速度要小, 这会导致波前轻微弯曲并指向高宝线的中心导体, 这会让电磁波依附在介质表面, 因此高宝线激发的表面波具有局域性[4]。这种表面局域性让它具有高效的传感性能, 因此在超分辨成像[5]、电磁诱导透明[6-7]和生物检测[7]等领域具有广阔的应用前景。由于它是单线传输器件, 便于与其他发射与探测器件连接, 所以相较于微带线与带状线, 它在集成能力方面具有显著的优势。
高宝线的传输效率与传感效率是其实现广泛应用的关键。传感效率决定于高宝线上表面波的局域性。局域性越强, 传感灵敏度越高。但是增强表面局域性会使高宝线的端口阻抗增大, 与双线传输常用的50 Ω端口阻抗产生阻抗失配问题。因此, 如何在不影响传输效率的前提下, 增强高宝线上表面波的局域性是一个非常重要的问题。常用的方法是使用一个转换结构, 例如最简单的办法是采用λ/4阶梯式阻抗变换器[8], 配合使用并联补偿短路线来消抗, 但是这种方法只能补偿单频点的阻抗失配问题。更普遍的办法是采用锥状渐变线[3], 通过对不同频率在锥状渐变线的不同部位产生的阻抗变换, 来进行宽频传输。但是传统的做法无法提高表面波的传感效率, 必须借助其他方法在不影响其传输效率的情况下提高其传感性能。
本文结合最近十多年国内外高宝线的研究进展, 综合概述其主要结构设计要点, 分析其测试与仿真结果, 重点分析了高宝线研究中的三个重要设计方法。
1 高宝线研究进展 1.1 高宝线平面化诞生于20世纪50年代的高宝线, 由于缺乏有效的转换结构, 其应用受到严重限制。要将高宝线集成化, 首先要将高宝线平面化。2005年, Treizebré等[9]提出的平面高宝线结构实现了高宝线的平面化。如图 1(a)所示, 平面高宝线结构整体划分为三个部分:Ⅰ部分是为了能与同轴电缆端接, 共面波导端口设计为50 Ω; Ⅱ部分是转换结构, 采用渐开地平面, 将共面波导传输的准TEM (横电磁波)模式转换为高宝模式; Ⅲ部分是高宝线传输模式, 主要支持高宝模式的传输。
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图 1 平面高宝线构型图及仿真与测试结果 Figure 1 Schematic, simulation and measurement of planar Goubau line |
平面高宝线传输特性测试结果如图 1(b)所示, 在140~220 GHz的范围内, 有-10~-5 dB的透过率, 而且随着频率的上升, 介质损耗的增加会导致透过率缓慢线性降低。同时反射回端口的能量S11在很大的范围内低于-10 dB, 大约只有10%的能量反射回入射端。从仿真与实验结果也可以看出, 两者是能够相符的。
可以看出平面高宝线结构能较好地实现高宝模式的传输, 但是我们通过透过能量S21可以看出, 该结构的能量传输效率只有约32%, 其传输效率太低, 但是其提出的平面高宝线结构为后续的结构优化打下了基础。
1.2 槽型高宝线结构增强表面波表面局域性平面高宝线的平面构型得益于微电子加工技术, 虽然各种精细结构能够被方便地制造出来, 但是其传感精度的提高一直受到制约。要提高其传感精度, 必须提高其表面局域性。借助超材料技术, 在高宝模式的基础上激发出伪表面等离子体激元[10], 从而增强传输电磁场的表面局域性。
超材料技术能够在微波、太赫兹等低于可见光与近红外电磁波频段激发出表面等离子体激元[11]。借助超材料技术实现的表面等离子体激元称之为伪表面等离子体激元。常用的超材料在其金属表面刻蚀有周期性、亚波长尺度的孔洞[12]。2012年Laurette等[13]提出了如图 2(a)所示的槽型高宝线结构, 其传输特性的测试结果如图 2(b)所示。在低频段, 槽型高宝线与平面高宝线无太大区别, 因为此时衬底辐射模很小, 电磁波被很好地依附在金属表面; 在高频段, 槽型高宝线的透过率要高于平面高宝线, 这是由于槽型高宝线能够抑制平面高宝线的衬底辐射模, 辐射能量损失减小, 如图 2(c)所示, 由图可知, 随着中心线深R的增加, 衬底辐射模的抑制效果增强, 间接地说明了其表面局域性增强。
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图 2 槽型高宝线结构及测试结果 Figure 2 Schematic and measurement of corrugated Goubau line |
从图 2(b)中可以看出, 不论是平面高宝线还是槽型高宝线, 在主要传输频段依旧还是只有-5 dB的能量能够透过, 不能实现高效传输, 而且还存在严重的阻抗失配问题。
1.3 转换结构的优化设计槽型高宝线的提出为高宝线的优化设计提供了新的思路。整体结构的设计主要分为三个部分:共面波导端口、转换结构和高宝线主体传输结构。从Treizebré等[9]的测试结果可以知道大约有10%的能量反射回入射端口, 这是由于高宝线与共面波导的阻抗失配所导致, 阻抗失配的另一种表现形式是波矢的失配问题。若能够解决这一问题, 高宝线结构的传输特性会有很大的改善, 而且不会影响槽型高宝线固有的传感效率。
2014年Ma等[14]提出, 在转换结构中采用信号线上两端开槽且槽深线性渐变的结构, 如图 3(a)所示, 该结构具有宽频匹配的特点[15]。在转换结构中, 渐变槽深被用来消除共面波导与槽型高宝线的波矢失配问题, 不同槽型的传输色散曲线可表示为
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图 3 渐变槽结构图及特性曲线 Figure 3 Schematic of gradient grooves, dispersion of different groove depth and wave vector along transmission direction (x-axis) with and without gradient grooves |
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式中:k0为自由空间波矢; kx为沿传播方向(x轴)的波矢; a为槽宽; p为单元结构的长度; h为设计的槽深。
图 3(a)为渐变槽结构, 这种匹配结构的设计思想是应用渐变槽深来削弱波矢失配引起的反射。图 3(b)为不同槽深的色散曲线, 对于同一频点, 槽越深, 波矢越大, 也就表示槽中激发出的伪表面等离子体传播得越慢, 局域于金属表面能力越强。在拥有渐变槽深的转换结构情况下, 槽与槽之间波矢失配的程度远远小于没有渐变槽深的情况。由图 3(c)可知, 匹配的情况下, 在转换结构区间内, 波矢是逐渐增大的, 在没有匹配的情况下, 波矢在共面波导(CPW)与转换结构的端接处波矢瞬间跳变。
有渐变与无渐变的槽型高宝线S参数仿真结果如图 4(a)所示, 若转换结构中渐变槽深过渡区不存在, 我们可以发现整体结构的反射高于-3 dB, 这意味着超过50%的能量被反射; 若存在渐变槽深, 在6~12 GHz, 表征反射回端口的能量参数S11低于-10 dB, 表征透过整个结构的能量参数S21高于-0.6 dB, 整体结构表现出良好的透过率。高宝线S参数的测试结果如图 4(b), 4(c)所示, 与仿真的S参数结果一致。仿真与测试结果都表明, 槽型高宝线的截止频率均为12.38 GHz, 与图 3(b)色散曲线分析的结果相符。
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图 4 有渐变槽与无渐变槽的高宝线的仿真和测试结果[16] Figure 4 The simulated and measured results of Goubau line with and without gradient grooves |
自平面高宝线提出以来, 一系列基于该结构的无源器件逐步出现, 高宝线的单线传输特点不仅解决了阻抗失配问题, 而且具有很广阔的应用前景。2010年, Treizebre等[16]制作出超高频高宝线谐振腔。长期以来因为超高频谐振腔结构的尺寸必须低于100 μm, 在微带线或带状线中难以集成, 因此高分辨率的超高频谐振腔一直受到研究者的关注。此外, 此类谐振腔要具备高频率和高空间分辨率的响应, 减小谐振腔的尺寸是关键, 因此在传统双线传输的结构上更难以实现。而高宝线结合平面螺旋开口谐振环, 能够很方便地设计和制备出具有高分辨率的集成传输传感结构。
2013年, Duponchel等[17]研发出应用于太赫兹频段基于平面高宝线微流体检测系统。太赫兹波谱系统是一种能进行实时生物分析的有效工具, 但是由于水在太赫兹频段具有强烈的吸收, 在该波段与水有关的生物特性研究必须遵守微量的原则, 因此利用传统的太赫兹波谱系统对水溶液进行研究就十分困难。而平面高宝线技术与微流控、网络分析仪技术结合的方案能够很好地解决这个问题。
3 结论由于高宝线具有单线传输、能够传输表面波和便于与其他平面器件结合的特性, 其在传输传感器件的研究领域一直备受关注。本文介绍了近十几年来高宝线的研究情况, 着重概述对高宝线实际应用起到跨越性作用的三个重要研究成果, 三个成果分别为平面化高宝线, 槽型高宝线和转换结构中渐变槽深设计。分析其设计思想、仿真与测试结果, 从理论和实验两个方面分析各个成果的促进作用。应用上述三个成果的设计思想能够设计出高效传输、传感的高宝线。可以预见, 高宝线必将在微波与太赫兹等波段集成化设备中得到广泛的应用, 高宝线也正朝着更轻便, 更易于集成, 更高效传输, 更灵敏的传感效率的方向发展。在不久的将来, 能够将石墨烯等先进的纳米技术应用于高宝线, 伴随而来的是全新的思路以及结构更复杂、性能更优异、集成度更高的毫米波传输传感器件。更重要的是, 伴随着漏波天线等天线技术的发展, 该类易于与天线结构对接的平面高宝线结构具有很大的集成优势。
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