双模人工表面等离激元调制器

本发明涉及微波毫米波器件设计，尤其涉及一种双模人工表面等离激元调制器。

背景技术：

1、调制器是一种重要的微波控制器件，能够对信号的幅度、相位等参数进行调控，在信号调制、波束赋形、相控阵天线以及无线通信等系统中扮演着核心角色。调制器的设计旨在帮助系统实现对电磁波的灵活操控，以满足不同应用对信号处理能力和系统集成度的需求。

2、近年来，随着通信技术的飞速发展，对微波器件的功能集成度和传输容量提出了更高的要求。在单一传输线上支持多种模式并行传输，并对各模式进行独立调控，能够成倍提升信道容量和信号处理能力，是解决频谱资源紧张的重要途径。然而，传统调制器大多仅支持单一模式传输与调控，难以在单条传输线上同时实现多模式的正交并行传输和独立调控。少数多模方案存在模式间串扰大、调控独立性差或结构复杂不利于集成等问题。

3、人工表面等离激元超材料是一种在微波毫米波频段支持表面波模式传输的周期性结构，具有低传输损耗、强场束缚以及色散可调等优良特性。通过多层结构设计，人工表面等离激元能够支持奇模和偶模电磁波的正交并行传输，并且可以通过在不同模式对应的传输层上独立加载可调元件，实现对不同模式色散特性的独立调控，为高性能多模独立调控器件的设计提供了新思路。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供一种双模人工表面等离激元调制器，克服了现有调制器难以在单一传输线上同时支持多模式正交并行传输与独立调控的问题。

2、技术方案：本发明所述的一种双模人工表面等离激元调制器，包括：自上而下依次相叠的顶部金属层、第一介质层、地板层、粘合层、第二介质层以及底部金属层；顶部金属层中的若干偶模sspp单元之间加载偶模变容二极管，通过调节偏置电压动态调控偶模sspp单元的色散特性，实现偶模的连续相位调制；地板层刻蚀奇模中心槽和对称槽，形成周期性排列的奇模sspp单元，底部金属层通过奇模耦合圆孔激励奇模sspp波，并加载奇模变容二极管动态调控奇模sspp的色散特性，实现奇模的幅度调制。

3、进一步的，顶部金属层包括顶部50ω微带线、过渡结构、若干偶模sspp单元、偶模扼流结构、偶模负极馈电结构、偶模正极馈电结构以及偶模变容二极管；顶部50ω微带线通过过渡结构与偶模sspp单元相连接，用于激励偶模sspp波并实现阻抗匹配；偶模变容二极管横向跨接于相邻偶模sspp单元之间，通过偶模正极馈电结构施加偏置电压改变偶模变容二极管的偏置电压调控其电容值，实现偶模sspp色散的动态调控和相位调制；偶模变容二极管的负极通过偶模负极馈电结构经通孔连接至地板层，形成直流回路；偶模扼流结构用于实现直流控制信号与射频信号的隔离。

4、进一步的，若干偶模sspp单元呈周期性排列；包括中心导带、并联枝节以及缝隙；并联枝节对称加载在中心导带两侧；相邻偶模sspp单元之间通过缝隙物理隔离，实现电连接。

5、进一步的，地板层包括奇模中心槽、奇模耦合圆孔以及奇模sspp单元；奇模中心槽沿地板层的长度方向延伸，对称槽对称刻蚀在奇模中心槽两侧，形成周期性排列的奇模sspp单元。

6、进一步的，底部金属层包括底部50ω微带线、奇模耦合圆片、奇模扼流结构、奇模正极馈电结构、奇模负极馈电结构、奇模馈电导带以及奇模变容二极管；底部50ω微带线和奇模耦合圆片通过奇模耦合圆孔进行耦合，激励出奇模sspp波，实现底部微带线模式与奇模sspp模式之间的转换；奇模变容二极管跨接在奇模馈电导带与奇模负极馈电结构之间，通过奇模正极馈电结构和奇模馈电导带施加偏置电压，动态调控奇模sspp色散特性，实现幅度调制；奇模变容二极管的负极通过奇模负极馈电结构经通孔连接至地板层，形成直流回路；奇模扼流结构用于实现直流控制信号与射频信号的隔离。

7、进一步的，偶模扼流结构采用扇形枝节结构，奇模扼流结构采用对称双扇形枝节结构，均用于抑制射频信号对直流偏置网络的干扰，实现直流控制信号与射频信号的隔离。

8、进一步的，顶部金属层和底部金属层的材料为金属铜，所述第一介质层和第二介质层的材料为rogers rt 5880，所述粘合层的材料为rogers ro 4450b。

9、进一步的，在13.5ghz至15.5ghz频段内，通过独立调控偶模变容二极管的偏置电压，偶模能够实现大于270°的连续相位移动，实现2bit相位调制；通过独立调控奇模变容二极管的偏置电压，奇模能够实现导通或截止状态的切换，实现1bit幅度调制；奇模与偶模的调控相互独立、互不干扰。

10、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明提供了一种双模人工表面等离激元调制器，通过采用双层介质结构与蚀刻有凹槽的地板层相结合的设计，在单一传输线上同时支持奇模与偶模电磁波的正交并行传输；其中，顶部金属层的偶模sspp单元之间加载偶模变容二极管，通过调节偏置电压动态调控偶模sspp的色散特性，实现偶模的连续相位调制；地板层刻蚀奇模sspp凹槽，底部金属层通过耦合圆孔激励奇模sspp波，并加载奇模变容二极管动态调控奇模sspp的色散特性，实现奇模的幅度调制；由于奇模与偶模的电磁场分布相互正交，且其色散调控分别由不同金属层上独立加载的变容二极管实现，因此两种模式的调控互不干扰，具有良好的模式隔离度；本发明在单条传输线上实现了双模并行独立调控，兼具多模式传输、独立调控与紧凑化设计的优势，解决了现有调制器难以同时支持多模式独立调控与小型化设计的技术问题。

1.双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，包括：自上而下依次相叠的顶部金属层（1）、第一介质层（2）、地板层（3）、粘合层（4）、第二介质层（5）以及底部金属层（6）；顶部金属层（1）中的若干偶模sspp单元（13）之间加载偶模变容二极管（17），通过调节偏置电压动态调控偶模sspp单元（13）的色散特性，实现偶模的连续相位调制；地板层（3）刻蚀奇模中心槽（31）和对称槽（331），形成周期性排列的奇模sspp单元（33），底部金属层（6）通过奇模耦合圆孔（32）激励奇模sspp波，并加载奇模变容二极管（67）动态调控奇模sspp的色散特性，实现奇模的幅度调制。

2.如权利要求1所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，顶部金属层（1）包括顶部50ω微带线（11）、过渡结构（12）、若干偶模sspp单元（13）、偶模扼流结构（14）、偶模负极馈电结构（15）、偶模正极馈电结构（16）以及偶模变容二极管（17）；顶部50ω微带线（11）通过过渡结构（12）与偶模sspp单元（13）相连接，用于激励偶模sspp波并实现阻抗匹配；偶模变容二极管（17）横向跨接于相邻偶模sspp单元（13）之间，通过偶模正极馈电结构（16）施加偏置电压改变偶模变容二极管（17）的偏置电压调控其电容值，实现偶模sspp色散的动态调控和相位调制；偶模变容二极管（17）的负极通过偶模负极馈电结构（15）经通孔连接至地板层（3），形成直流回路；偶模扼流结构（14）用于实现直流控制信号与射频信号的隔离。

3.如权利要求3所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，若干偶模sspp单元（13）呈周期性排列；包括中心导带（131）、并联枝节（132）以及缝隙（133）；并联枝节（132）对称加载在中心导带（131）两侧；相邻偶模sspp单元（13）之间通过缝隙（133）物理隔离，实现电连接。

4.如权利要求1所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，地板层（3）包括奇模中心槽（31）、奇模耦合圆孔（32）以及奇模sspp单元（33）；奇模中心槽（31）沿地板层（3）的长度方向延伸，对称槽（331）对称刻蚀在奇模中心槽（31）两侧，形成周期性排列的奇模sspp单元（33）。

5.如权利要求1所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，底部金属层（6）包括底部50ω微带线（61）、奇模耦合圆片（62）、奇模扼流结构（63）、奇模正极馈电结构（64）、奇模负极馈电结构（65）、奇模馈电导带（66）以及奇模变容二极管（67）；底部50ω微带线（61）和奇模耦合圆片（62）通过奇模耦合圆孔（32）进行耦合，激励出奇模sspp波，实现底部微带线模式与奇模sspp模式之间的转换；奇模变容二极管（67）跨接在奇模馈电导带（66）与奇模负极馈电结构（65）之间，通过奇模正极馈电结构（64）和奇模馈电导带（66）施加偏置电压，动态调控奇模sspp色散特性，实现幅度调制；奇模变容二极管（67）的负极通过奇模负极馈电结构（65）经通孔连接至地板层（3），形成直流回路；奇模扼流结构（63）用于实现直流控制信号与射频信号的隔离。

6.如权利要求2或5所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，偶模扼流结构（14）采用扇形枝节结构，奇模扼流结构（63）采用对称双扇形枝节结构，均用于抑制射频信号对直流偏置网络的干扰，实现直流控制信号与射频信号的隔离。

7.如权利要求2或5所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，顶部金属层（1）和底部金属层（6）的材料为金属铜，所述第一介质层（2）和第二介质层（5）的材料为rogersrt 5880，所述粘合层（4）的材料为rogers ro 4450b。

8.如权利要求1所述的双模人工表面等离激元调制器，其特征在于，在13.5ghz至15.5ghz频段内，通过独立调控偶模变容二极管（17）的偏置电压，偶模能够实现大于270°的连续相位移动，实现2bit相位调制；通过独立调控奇模变容二极管（67）的偏置电压，奇模能够实现导通或截止状态的切换，实现1bit幅度调制；奇模与偶模的调控相互独立、互不干扰。