基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线

1.本发明属于双模传输线结构的技术领域，是基于巴伦结构对电磁波信号进行处理并对传统平行耦合线的变形所进行的结构设计，特别是一类基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线结构。


背景技术：

2.巴伦为一种三端口器件，可以将匹配输入转换为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接的宽带射频传输线变压器。巴伦的功能在于使系统具有不同阻抗或与差分信号兼容，并且用于手机和数据传输网络等现代通信系统。
3.表面等离激元是在一定的激励条件下形成的沿着金属和介质表面传播的表面电磁波，可以将电磁场能量限制在深度亚波长范围内，不受衍射极限的限制，具有强场束缚性、短工作波长、高频截止等优良特性。然而自然界的表面等离激元仅存在于光波段，为了在较低频段（太赫兹、微波、毫米波）实现表面等离激元，人们提出了人工表面等离激元，在集成电路、通信技术和传感器等方面有巨大的应用前景。通过人工模拟表面等离激元实现优良性能。
4.传输线是输送电磁能的线状结构的设备，它是电信系统的重要组成部分。传输线是用来把载有信息的电磁波，沿着传输线路径，以横电磁波的方式传送电能或电信号的导波结构。传输线的特点是其横向尺寸远小于工作波长。传输线广泛应用于无线收发机、计算机网络连接和高速通信线路等领域。随着通信技术的发展，通信频率愈发提高，要使导波结构可以传输频率更高的微波毫米波信号，并且同时提高通信容量，因此传输线的发展就显得十分重要。


技术实现要素：

5.技术问题:本发明的目的在于提供基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线,本发明在传统平行耦合线的基础上，结合巴伦结构与人工表面等离激元传输线的结构，设计出了一种双模传输线结构，可同时传输奇模人工表面等离激元与偶模人工表面等离激元两种信号。
6.技术方案：本发明的基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线通过以下技术方案实现。
7.该双模传输线包括介电胶、介质材料、金属地结构、金属带线、奇模信号焊盘、偶模信号焊盘、四端口接地端以及包含位于中间的双模传输线、位于双模传输线两端对称的巴伦结构、位于巴伦结构外侧的焊盘馈电结构；所述双模传输线包含两条互相平行的金属带线以及位于两条金属带线之间的枝节；所述巴伦结构由两层金属结构耦合而成，包含上层金属弯折线、下层金属弯折线、总馈线、金属连接线；所述焊盘馈电结构的焊盘包含奇模信号焊盘、偶模信号焊盘和四端口接地端，四端口接地端为长方体金属通孔结构，连接双模传输线所在金属层与覆盖在介质材料之下的金属地结构，所述馈电结构为奇模信号焊盘、偶
模信号焊盘引出的信号连接线包括金属连接线和总馈线；下层金属弯折线为c形，奇模信号焊盘通过金属连接线连接下层金属弯折线的一端，偶模信号焊盘通过总馈线连接环线，环线的开口处分别连接两条金属带线，两条金属带线的两端口分别连接上层金属弯折线的内端口即朝向该传输线结构中间的端口，上层金属弯折线的两外端口悬空。
8.所述巴伦结构，还有第二种结构，即上层金属弯折线的两个内端口即朝向该传输线结构中间的端口连接两条金属带线，上层金属弯折线的两个外端口通过巴伦接地线连接位于中间的同一个四端口接地端；下层金属弯折线的一端通过巴伦输入端渐变结构与奇模信号焊盘连接，下层金属弯折线的另一端口悬空。
9.所述巴伦结构，还有第三种结构，即上层金属弯折线的两个内端口即朝向该传输线结构中间的端口连接两条金属带线，或通过四分之一圆环和梯形连接块连接两条金属带线，上层金属弯折线的两个外端口分别通过巴伦接地线连接两个四端口接地端；下层金属弯折线的一端通过巴伦输入端渐变结构与奇模信号焊盘连接，下层金属弯折线的另一端口悬空。
10.所述巴伦结构，还有第四种结构，即为三导体边缘耦合巴伦结构，两个对称的三导体边缘耦合巴伦的输出端口连接金属带线的两端；所述的三导体边缘耦合巴伦由激励带状线、内耦合线、外耦合线构成了巴伦主体的三导线结构，该三线都是放置在介电胶上方；激励带状线是一条多次弯折的金属带状线，一端通过奇模信号输入端口接入奇模信号焊盘，另一端悬空；内耦合线是两段对称的、放置在激励带状线内侧的金属带状线；外耦合线是两段对称的、放置在激励带状线外侧的金属带状线；跨层合成线一端发起于内耦合线的末端，首先向下朝着介电胶底部延伸，90度弯折后在介电胶底部平行延伸，通过激励带状线的下方，直到外耦合线末端下方，跨层合成线再向上与外耦合线末端连接，从而将内耦合线、外耦合线上的信号汇聚成一路信号，经过合成输出线，从巴伦输出端口输出；内耦合线分为两段关于结构中轴线对称的折线，两段内耦合线的中部共同连接在内线接地线的一端，并由内线接地线另一端的内耦合线接地端口接入四端口接地端；金属保护环壁是对称分布在外耦合线外侧的两段的c形金属壁，c形金属壁的最底部与金属地结构接触；外耦合线的一端接入到金属保护环壁，从两段金属保护环壁分别引出下接地线、上接地线，并分别通过下接地端口、上接地端口与邻近的四端口接地端连接。
11.所述巴伦结构，还有第五种结构，该结构包括奇模探针垫、偶模探针垫、地探针垫、下层大平板、下层小平板；奇模探针垫、偶模探针垫、地探针垫位于介电胶上方，下层大平板、下层小平板位于介质材料上方；奇模探针垫、偶模探针垫与下层小平板之间，以及地探针垫与下层大平板之间设有小规模金属通孔，下层大平板之下设有背金通孔，背金通孔的最低处与金属地结构接触；该巴伦结构中，直角型带状输入线位于介质材料的上方，是一条经过90
°
弯折的金属带状线，一端接入奇模探针垫下方的下层小平板，另一端与下层金属框的一个端口连接；下层金属框是一个方框去掉一条长边形成的，上层金属框在介电胶上方，是一个方框去掉一条长边，并在另一条长边中央去除一部分，剩余部分与下层金属框正对；巴伦通地过渡线与巴伦结构两侧的地探针垫连接。
12.所述双模传输线中的枝节为波浪形人工表面等离激元单元，所述波浪形人工表面等离激元单元包括多个放置在两条互相平行的金属带线之间的区域并且沿着金属带线的长度方向周期性排列的波浪形结构，该波浪形人工表面等离激元单元为两个镜像对称的波
浪形人工表面等离激元单元结构，每一个波浪形人工表面等离激元单元结构包含顺序连接的四分之一圆弧金属线、按尺寸由大到小互连的上半圆金属环、下半圆金属环，其中，四分之一圆弧金属线的一端连接金属带线，另一端连接半圆金属环。
13.所述波浪形人工表面等离激元单元中，所述的半圆金属环有六个，增加半圆金属环数量将降低传输线的色散截止频率，增强波浪形人工表面等离激元单元金属表面的场束缚能力。
14.所述双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元，所述折线形人工表面等离激元单元包括多个放置在两条互相平行的金属带线之间的区域并且沿着金属带线的长度方向周期性排列的折线形结构，该折线形人工表面等离激元单元为两个镜像对称的折线形人工表面等离激元单元结构，每一个折线形人工表面等离激元单元包含顺序连接的方波状结构，该方波状结构的一端接金属带线，另一端悬空。
15.所述折线形人工表面等离激元单元中顺序连接的方波状结构有五个，增大金属带线的宽度、增大折线形人工表面等离激元单元方波的长度与宽度、增加方波的个数或增大各折线形人工表面等离激元单元的周期长度，将使该传输线截止频率下降，折线形人工表面等离激元单元金属表面的场束缚能力增强。
16.所述双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元，所述弹簧形人工表面等离激元单元包括多个放置在两条互相平行的金属带线之间的区域并且沿着金属带线的长度方向周期性排列的弹簧形结构，该弹簧形人工表面等离激元单元为两个镜像对称的弹簧形人工表面等离激元单元结构，每一个弹簧形人工表面等离激元单元包含多个按周期排列的形状一致的半圆环，相邻半圆环的开口处由互连线连通，该弹簧形人工表面等离激元单元的一端接金属带线，另一端悬空。
17.所述弹簧形人工表面等离激元单元中所述的半圆环有六个，增大半圆环的外径与内径、增加半圆环的个数、增大各弹簧形人工表面等离激元单元之间的周期长度，将使该弹簧形人工表面等离激元单元的传输截止频率下降，弹簧形人工表面等离激元单元（110）金属表面的场束缚能力增强。
18.所述双模传输线中的枝节为蝶形人工表面等离激元单元，所述蝶形人工表面等离激元单元包括多个放置在两条互相平行的金属带线之间的区域并且沿着金属带线的长度方向周期性排列的蝶形结构，该蝶形人工表面等离激元单元为两个镜像对称的半蝶形构成一个完整的蝶形结构，该蝶形人工表面等离激元单元的一端接金属带线，另一端悬空。
19.所述的三导体边缘耦合巴伦，边缘耦合发生于激励带状线与内耦合线之间以及激励带状线与外耦合线之间；内耦合线与激励带状线的边缘相距5um；所述的外耦合线与激励带状线的边缘相距5um。
20.所述偶模信号焊盘，其引出的总馈线接入环线的长边中央，环线悬空的两端与金属带线两侧相接，环线关于金属带线对称分布，以实现等幅同相的偶模馈电；环线长度可调。
21.所述的偶模信号焊盘，其引出一条天线引线，经过梯形过渡段后以带状线形式，经两次90
°
弯折与两条结构相同互相平行的金属带线中间的跨层耦合天线的一端连接；偶模信号从介质材料上方的天线引线和跨层耦合天线传输。
22.有益效果：
1、本发明所设计的基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线可同时支持奇模人工表面等离激元与偶模人工表面等离激元两种信号的传输。
23.2、本发明所设计的馈电结构可以很好的传输幅度相等、相位相反的差模信号，为双模传输线提供良好的信号输入。
24.3、本发明所设计的基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线具有极小的电尺寸，约为0.127（λ）*0.013（λ）*0.017（λ）。
25.4、本发明所设计的巴伦结构可以很好地平衡电压电流、抑制共模电流、进行阻抗转换，有利于信号的传输。
26.5、本发明可通过改变巴伦结构的结构尺寸参数来调整双模传输线的散射参数，包括带宽、中心频率、插入损耗、回波损耗、幅度等。
27.6、本发明可通过改变双模传输线的结构尺寸参数来调整人工表面等离激元的色散性质。
28.7、本发明所设计的基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线可以将大部分电场能量集中于传输线金属表面附近，体现了人工表面等离激元很强的场束缚能力与很低的不连续性损耗。
29.8、本发明设计结构简单，通过对巴伦结构与传输线结构的等比例缩小与放大可支持太赫兹波段、微波段及毫米波频段的设计工作，在多领域具有良好的发展前景。
30.9、本发明的奇模馈电结构、偶模馈电结构、双模传输线有多种设计，并且能选取组合，具有广泛实用性。
附图说明
31.图1是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第一种巴伦结构的的俯视图；其中，双模传输线中的枝节为波浪形人工表面等离激元单元；图2是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第二种巴伦结构的的俯视图；其中，双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元；图3是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第三种巴伦结构的的俯视图；其中，双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元；图4是本发明双模传输线中的枝节为波浪形人工表面等离激元单元的俯视图；图5是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的俯视图；图6是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的俯视图；图7是本发明双模传输线中的枝节为蝶形人工表面等离激元单元的俯视图；图8是本发明的剖视结构示意图；图9是本发明第一种巴伦结构的俯视图；图10是本发明第二种巴伦结构的俯视图；图11是本发明第三种巴伦结构的俯视图；图12（a）是本发明第一种巴伦结构的散射参数仿真结果，列举了奇模透射系数和偶模透射系数，图12（b）是本发明第一种巴伦结构的散射参数仿真结果，列举了奇模反射系数和偶模反射系数，图12（c）是本发明第一种巴伦结构的散射参数仿真结果，列出了端口间串扰；
图13是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第二种巴伦结构的散射参数仿真结果；图14是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第三种巴伦结构的散射参数仿真结果；图15是本发明双模传输线中的枝节为波浪形人工表面等离激元单元的传输线散射参数仿真结果；图16（a）是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的仿真结果中折线形人工表面等离激元单元的色散性质，图16（b）是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的偶模散射参数，图16（c）是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的奇模散射参数，图16（d）是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的奇偶模式阻抗，图16（e）是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的奇偶模式波阻抗；图17（a）是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的仿真结果中弹簧形人工表面等离激元单元的色散性质，图17（b）是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的偶模散射参数，图17（c）是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的奇模散射参数，图17（d）是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的偶模、奇模阻抗，图17（e）是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的仿真结果中双模传输线的奇偶模式波阻抗；图18是本发明双模传输线中的枝节为蝶形人工表面等离激元单元的传输线散射参数。
32.图19是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元。
33.图20是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元。
34.图21是本发明奇模探针垫/偶模探针垫与下层小平板、小规模金属通孔的示意图与解析图。
35.图22是本发明地探针垫与下层大平板、小规模金属通孔、背金通孔的示意图与解析图。
36.图23是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元，进一步修改巴伦与焊盘结构，得到的散射参数结果。
37.图24是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元，进一步修改巴伦与焊盘结构，得到的散射参数结果。
38.图25是本发明的一种基于飞鸟形单元的人工表面等离激元双模传输线，包括两个对称的三导体边缘耦合巴伦的结构俯视图。
39.图26是三导体边缘耦合巴伦线与端口的解析图。
40.图27是基于飞鸟形单元的人工表面等离激元双模传输线的散射参数。
41.图28是采用天线引线161和跨层耦合天线162传输的结构示意图。
42.图29是是图28所述结构的反射系数与传输系数。
43.图中有：介电胶1、介质材料2、金属地结构3、金属带线4、奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6、四端口接地端7、三导体边缘耦合巴伦8、奇模探针垫9、偶模探针垫10、地探针垫11、下层大平板12、下层小平板13、小规模金属通孔14、背金通孔15；巴伦输入端渐变结构101、巴伦接地线102、总馈线103、环线104、下层金属弯折线105、上层金属弯折线106、四分之一圆环107、梯形连接块108、金属连接线109、直连地通孔139；弹簧形人工表面等离激元单元110、折线形人工表面等离激元单元120、波浪形人工表面等离激元单元130、蝶形人工表面等离激元单元140、飞鸟形人工表面等离激元单元150；天线引线161、跨层耦合天线162。
44.直角型带状输入线201、巴伦通地过渡线202、下层金属框203、上层金属框204。
45.奇模信号输入端口80、激励带状线81、内耦合线82、外耦合线83、跨层合成线84、合成输出线85，内线接地线86、下接地线87、上接地线88，金属保护环壁89、巴伦输出端口90、内耦合线接地端口91、下接地端口92、上接地端口93。
具体实施方式
46.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
47.如图1所示，展示了基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，该双模传输线包括介电胶1、介质材料2、金属地结构3、金属带线4、奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6、四端口接地端7以及包含位于中间的双模传输线、位于双模传输线两端对称的巴伦结构、位于巴伦结构外侧的焊盘馈电结构；所述双模传输线包含两条互相平行的金属带线4以及位于两条金属带线4之间的枝节；所述巴伦结构由两层金属结构耦合而成，包含上层金属弯折线106、下层金属弯折线105、总馈线103、金属连接线109；所述焊盘馈电结构的焊盘包含奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6和四端口接地端7，四端口接地端7为长方体金属通孔结构，连接双模传输线所在金属层与覆盖在介质材料2之下的金属地结构3，所述馈电结构为奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6引出的信号连接线包括金属连接线109和总馈线103；下层金属弯折线105为c形，奇模信号焊盘5通过金属连接线109连接下层金属弯折线105的一端，偶模信号焊盘6通过总馈线103连接环线104，环线104的开口处分别连接两条金属带线4，两条金属带线4的两端口分别连接上层金属弯折线106的内端口即朝向该传输线结构中间的端口，上层金属弯折线106的两外端口悬空。
48.如图2所示，展示了第二种基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线。所述第二种采用的巴伦，即上层金属弯折线106的两个内端口即靠近该传输线结构中线的端口连接两条金属带线4，上层金属弯折线106的两个外端口通过巴伦接地线102连接位于中间的同一个四端口接地端7；下层金属弯折线105的一端通过巴伦输入端渐变结构101与奇模信号焊盘5连接，下层金属弯折线105的另一端口悬空。
49.如图3所示，展示了第三种基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线。所述第三种采用的巴伦结构，即上层金属弯折线106的两个内端口即靠近该传输线结构中线的端口通过四分之一圆环107和梯形连接块108连接两条金属带线4，上层金属弯折线106的两个外端口分别通过巴伦接地线102连接两个四端口接地端7；下层金属弯折线105的一端通过巴伦输入端渐变结构101与奇模信号焊盘5连接，下层金属弯折线105的另一端口悬空。其
中，双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元。
50.如图4所示，所述波浪形人工表面等离激元单元130作为双模传输线中的枝节，有多个放置在两条互相平行的金属带线4之间的区域并且沿着金属带线4的长度方向周期性排列，该波浪形人工表面等离激元单元130为两个镜像对称的波浪形人工表面等离激元单元结构，每一个波浪形人工表面等离激元单元结构包含顺序连接的四分之一圆弧金属线、按比例由大到小互连的上、下半圆金属环，四分之一圆弧金属线的一端连接金属带线4，另一端连接半圆金属环。
51.如图5所示，所述折线形人工表面等离激元单元120作为双模传输线中的枝节，有多个放置在两条互相平行的金属带线4之间的区域并且沿着金属带线4的长度方向周期性排列，该折线形人工表面等离激元单元120为两个镜像对称的折线形人工表面等离激元单元结构，每一个折线形人工表面等离激元单元120包含顺序连接的方波状结构，该方波状结构的一端接金属带线4，另一端悬空。
52.如图6所示，所述弹簧形人工表面等离激元单元110作为双模传输线中的枝节，有多个放置在两条互相平行的金属带线4之间的区域并且沿着金属带线4的长度方向周期性排列，该弹簧形人工表面等离激元单元110为两个镜像对称的弹簧形人工表面等离激元单元结构，每一个弹簧形人工表面等离激元单元110包含多个按周期排列的形状一致的半圆环，相邻半圆环的开口处由互连线连通，该弹簧形人工表面等离激元单元的一端接金属带线4，另一端悬空。
53.如图7所示，所述蝶形人工表面等离激元单元140作为双模传输线中的枝节，有多个放置在两条互相平行的金属带线4之间的区域并且沿着金属带线4的长度方向周期性排列，该蝶形人工表面等离激元单元140为两个镜像对称的半蝶形构成一个完整的蝶形结构，该蝶形人工表面等离激元单元140的一端接金属带线4，另一端悬空。
54.如图8所示，是本发明的剖视结构示意图，展示了焊盘与介质的位置关系。图中分别标注了介电胶1、介质材料2、金属地结构3、奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6、四端口接地端7。奇模信号焊盘5最低处与介质材料2顶部接触，最高处高于介电胶1顶部2um。偶模信号焊盘6底部与介电胶1顶部接触，厚度为2um。四端口接地端7最高处高于介电胶1顶部2um，最低处与金属地结构3接触。
55.如图9所示，本发明第一种巴伦结构由两层结构耦合而成，包含上层金属弯折线106、下层金属弯折线105、金属连接线109。下层金属弯折线105为c形，金属连接线109连接下层金属弯折线105的一端。上层金属弯折线106为关于中轴线对称的c形，与下层金属弯折线105正对以形成耦合，一端与金属带线4相连，另一端与直连地通孔139连接。直连地通孔139与金属地结构3联通。
56.如图10所示，本发明第二种巴伦结构，上层金属弯折线106的两个内端口即靠近该传输线结构中线的端口连接两条金属带线4，上层金属弯折线106的两个外端口通过巴伦接地线102连接位于中间的同一个四端口接地端7；下层金属弯折线105的一端通过巴伦输入端渐变结构101与奇模信号焊盘5连接，下层金属弯折线105的另一端口悬空。
57.如图11所示，本发明第三种巴伦结构部分的放大图，上层金属弯折线106的两个内端口即靠近该传输线结构中线的端口通过四分之一圆环107和梯形连接块108连接两条金属带线4，上层金属弯折线106的两个外端口分别通过巴伦接地线102连接两个四端口接地
端7；下层金属弯折线105的一端通过巴伦输入端渐变结构101与奇模信号焊盘5连接，下层金属弯折线105的另一端口悬空。
58.图12（a）是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第一种巴伦结构的散射参数仿真结果，为透射系数仿真参数图，其中s3,1为奇模透射系数，s4,2为偶模透射系数。图12(b)为反射系数仿真示意图，其中s1,1为奇模端口反射系数，s2,2为偶模端口反射系数。图12(c)为各端口串扰系数图。在51ghz-67ghz范围内,图12(a)中奇模透射系数s3,1大于-1.46db，偶模透射系数s4,2大于-1.42db，在60ghz时奇模透射系数s3,1为-1.36db,偶模透射系数s4,2为-0.86db；图12(b)中一端口反射系数s1,1与二端口反射系数s2,2均小于-10db；图12(c)中各端口串扰系数均小于-20db。由图可见，在51ghz-67ghz范围内基于巴伦的片上人工表面等离激元双模传输线结构性能优秀，可以很好地实现超宽带的特性。
59.图13是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第二种巴伦结构的散射参数仿真结果。有效通带被定义在57.5-63ghz，通带内奇模信号透射系数s2,1高于-2.4db，峰值-1.7db位于60ghz，回波系数s1,1低于-10db。通带内偶模信号透射系数s4,3高于-1.5db，回波系数s3,3低于-15db。四端口测试其他散射参数，s3,1、s4,1、s1,3、s2,3则分别代表了端口间串扰，通带内串扰低于-15db。以上结果说明，奇偶模式信号都能通过本发明同频双模传输线进行良好性能的传输。端口串扰小，代表着奇模信号与偶模信号在传输过程中不易被无关端口吸收，也即奇模信号经过端口一、焊盘、巴伦、人工表面等离激元传输线、巴伦、焊盘、端口二的传输路径，偶模信号经过端口三、焊盘、偶模馈电线、环状馈电线、人工表面等离激元传输线、环状馈电线、偶模馈电线、焊盘、端口四的传输路径，两条路径在空间上的重叠只发生在人工表面等离激元传输线，奇偶模式信号彼此正交独立，从而可以一同通过人工表面等离激元传输线，且在人工表面等离激元传输线前后分离，分别进入对应的馈电端口。
60.图14是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线第三种巴伦结构的散射参数仿真结果。有效通带被定义在60.3-63.3ghz，通带内奇模信号透射系数s2,1高于-3.11db，峰值-2.56db位于62ghz，回波系数s1,1低于-10db。通带内偶模信号透射系数s4,3高于-2.4db，回波系数s3,3低于-14db。四端口测试其他散射参数，s3,1、s4,1、s1,3、s2,3则分别代表了端口间串扰，通带内串扰低于-13.2db。以上结果说明，奇偶模式信号都能通过本发明同频双模传输线进行良好性能的传输。端口串扰小，代表着奇模信号与偶模信号在传输过程中不易被无关端口吸收，也即奇模信号经过端口一、巴伦信号焊盘、巴伦、人工表面等离激元传输线、巴伦、巴伦信号焊盘、端口二的传输路径，偶模信号经过端口三、总馈线焊盘、总馈线、环线、人工表面等离激元传输线、环线、总馈线、总馈线焊盘、端口四的传输路径，两条路径在空间上的重叠只发生在人工表面等离激元传输线，奇偶模式信号彼此正交独立，从而可以一同通过人工表面等离激元传输线，且在人工表面等离激元传输线前后分离，分别进入对应的馈电端口。
61.如图15所示，是本发明双模传输线中的枝节为波浪形人工表面等离激元单元的传输线散射参数仿真结果。反射系数s1,1随着频率的升高总体上呈波浪式提高，透射系数s2,1随着频率的升高而下降。散射参数受到总体结构尺寸的影响，包括金属带线4与波浪形人工表面等离激元单元130的尺寸与周期性结构数量、奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6的尺寸、奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6的间距。在0至140ghz范围内反射系数s1,1低于-9.8db，
透射系数s2,1高于-1.8db。由图所示传输线在163ghz左右出现传输截止的特点。
62.图16（a）是本发明双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元的仿真结果，如图所示，是折线形人工表面等离激元单元的色散性质，模式1与模式2在0-200ghz内有非常接近的色散曲线，两者截止频率低于300ghz。模式1对应奇模，模式2对应偶模，其模式电场也展示在图中。如,16（b）所示是双模传输线的偶模散射参数，传输效率随着频率升高逐渐恶化。在0-235ghz范围内透射系数s2,1保持在-3db之上，回波损耗s1,1始终低于-10db。到达偶模截止频率附近透射系数急剧下降，传输截止。如图16（c）所示是双模传输线的奇模散射参数，在0-150ghz范围内透射系数s2,1保持在-3db之上，回波损耗s1,1在某些频段高于-10db。在奇偶模传输线上，输入阻抗由于场模式的不同而发生改变，因此阻抗失配导致效率的下降。如图16（d）所示是双模传输线的奇偶模式阻抗，奇模线阻抗具有随频率增大而上升的趋势，偶模线阻抗具有随频率增大而下降的趋势，其主要原因在于主线间电容耦合只存在于偶模激励条件下，不会发生在奇模激励条件下。另外，奇模线阻抗发生明显转折的频率对应了模式1截止频率。奇模线阻抗在260ghz以上呈现剧烈的上升，而偶模线阻抗由于处于比较低的水平，其变化不会那么明显。如图16（e）所示是双模传输线的奇偶模式波阻抗。由于人工表面等离激元的特性，在传输线上传输的是tm模式电磁场，图中波阻抗发生显著增大的原因在于，横向磁场能量发生了快速衰减，电磁场不能顺利传输，与散射参数结果中s2，1的下降有对应关系，也意味着传输遇到截止。
63.图17（a）是本发明双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元的仿真结果，是弹簧形人工表面等离激元单元的色散性质，模式1与模式2的色散曲线分别在267ghz和296ghz截止。模式电场分布图显示，模式1对应奇模，电场分布具有反相特征，模式2对应偶模，电场分布对称。,17（b）是双模传输线的偶模散射参数，在0-300ghz范围内透射系数s2,1保持在-1.7db之上，回波损耗s1,1始终低于-10db。图17（c）是双模传输线的奇模散射参数，在0-200ghz范围内透射系数s2,1保持在-1.7db之上，回波损耗s1,1始终低于-7.96db。图17（d）是双模传输线的偶模、奇模线阻抗。奇模线阻抗具有随频率增大而上升的趋势，偶模线阻抗具有随频率增大而下降的趋势，其主要原因在于主线间电容耦合只存在于偶模激励条件下，不会发生在奇模激励条件下。另外，奇模线阻抗发生明显转折的频率对应了模式1截止频率。奇模线阻抗在250ghz以上呈现剧烈的上升，而偶模线阻抗由于处于比较低的水平，其变化不会那么明显。图17（e）是双模传输线的偶模、奇模波阻抗。由于人工表面等离激元的特性，在传输线上传输的是tm模式电磁场，图中波阻抗发生显著增大的原因在于，横向磁场能量发生了快速衰减，电磁场不能顺利传输，与散射参数结果中s2，1的下降有对应关系，意味着传输截止。
64.如图18所示，是本发明双模传输线中的枝节为蝶形人工表面等离激元单元的传输线散射参数。该蝶形人工表面等离激元单元140和金属带线4组合构成的双模传输线在0-188ghz的频率范围内，透射系数s21高于-2.4db，回波系数s11在0-150ghz低于-10db。
65.如图19所示，是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元，进一步修改巴伦与焊盘结构的俯视图。直角型带状输入线201位于介质材料2的上方，是一条经过90
°
弯折的金属带状线，弯折前后宽度保持一致，一端接入奇模探针垫9下方的下层小平板13，另一端与下层金属框203的一个端口连接。下层金属框203是一个方框去掉一条长边形成的，靠近奇模探针垫9的一端与直角
型带状输入线201连接，另一端悬空。上层金属框204是一个方框去掉一条长边，并在另一条长边中央去除一部分，剩余部分与下层金属框203正对，构成耦合。上层金属框204的末端悬空。巴伦通地过渡线202则把上层金属框204靠近地探针垫11的端口与巴伦两侧的地探针垫11连接；上层金属框204靠近金属带线4的端口与金属带线4的侧面连接。奇模信号焊盘5、偶模信号焊盘6、地探针垫11、下层小平板13面积均为70um
×
70um，下层大平板12面积为90um
×
90um，背金通孔15面积为50um
×
50um。
66.图20是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元，进一步修改巴伦与焊盘结构的俯视图。
67.图21是本发明奇模探针垫/偶模探针垫与下层小平板、小规模金属通孔的示意图与解析图。奇模探针垫9位于介电胶1上方，面积相同的下层小平板13位于介质材料2上方，小规模金属通孔14是一组边长为5um、间距为5um、高度为1.8um的金属长方体组成的6
×
6阵列，位于奇模探针垫9与下层小平板13中间的介电胶1内部，将两者连通。偶模探针垫10同理。
68.图22是本发明地探针垫与下层大平板、小规模金属通孔、背金通孔的示意图与解析图。地探针垫11通过小规模金属通孔14与下层大平板12连通，并且在下层大平板12和金属地结构3之间有长方体背金通孔15负责连通。
69.图23是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为折线形人工表面等离激元单元，进一步修改巴伦与焊盘结构，得到的散射参数结果。其中s2，1是奇模透射系数，s1，1是奇模反射系数，在60.75-65ghz频率范围内s21高于-3db，峰值为-2.38db，s1，1低于-10db；s4，3是偶模透射系数，s3，3是偶模反射系数，在55-65ghz内s4，3高于-2.8db，s3，3低于-10db。端口间串扰低于-15db，说明隔离度良好。
70.图24是本发明基于巴伦的人工表面等离激元片上双模传输线，双模传输线中的枝节为弹簧形人工表面等离激元单元，进一步修改巴伦与焊盘结构，得到的散射参数结果。其中s2，1是奇模透射系数，s1，1是奇模反射系数，在60-65ghz频率范围内s21高于-3.2db，峰值为-2.39db，s1，1低于-10db；s4，3是偶模透射系数，s3，3是偶模反射系数，在55-65ghz内s4，3高于-2.9db，s3，3低于-10db。端口间串扰低于-15db，说明隔离度良好。
71.如图25所示本发明的一种基于飞鸟形单元的人工表面等离激元双模传输线，包括两个对称的三导体边缘耦合巴伦8，四端口接地端7、奇模信号焊盘5与巴伦的输入端相接，起馈电和接地的作用。总馈线103通过偶模信号焊盘6引出，接入到环线104长边中央，环线104对称地接入金属带线4两侧。三导体边缘耦合巴伦8的巴伦输出端口90接金属带线4。飞鸟形人工表面等离激元单元150作为双模传输线中的枝节，有多个放置在两条互相平行的金属带线4之间的区域并且沿着金属带线4的长度方向周期性排列，该飞鸟形人工表面等离激元单元150为两个镜像对称的飞鸟形人工表面等离激元单元结构，每一个飞鸟形人工表面等离激元单元150包含一个端口连接至金属带线4侧面的四分之一圆环，另一个端口接入一段直线段，直线段后接入一个相同的四分之一圆环，最后再接上一段直线段，直线段末端悬空。飞鸟形人工表面等离激元单元150放置在两条金属带线4之间的位置并且关于中轴线对称，一端与金属带线4相连。通过改变三导体边缘耦合巴伦8中相邻耦合线之间的间距，在工艺允许的范围内，相邻耦合线之间的间距越小，整个传输线所能实现的工作带宽就越宽。而通过调节环线104接入到金属带线4上的位置和环线104的长度，又可以根据实际需要调
整传输线的工作频段，使其可以满足不同频段的实际需求，通过调节以上参数，可以使得该人工表面等离激元双模传输线在微波毫米波的各个频段内都能实现双模传输的效果。
72.如图26所示三导体边缘耦合巴伦8线与端口的解析图。所述的三导体边缘耦合巴伦8，由激励带状线81、内耦合线82、外耦合线83构成了巴伦主体的三导线结构，三者都是放置在介电胶1上方；激励带状线81是一条多次弯折的金属带状线，一端通过奇模信号输入端口80接入奇模信号焊盘5，另一端悬空；内耦合线82是两段对称的、放置在激励带状线81内侧的金属带状线；外耦合线83是两段对称的、放置在激励带状线81外侧的金属带状线；跨层合成线84一端发起于内耦合线82的末端，首先向下朝着介电胶1底部延伸，90度弯折后在介电胶1底部平行延伸，通过激励带状线81的下方，直到外耦合线83末端下方，跨层合成线84再向上与外耦合线83末端连接，从而将内耦合线82、外耦合线83上的信号汇聚成一路信号，经过合成输出线85，从巴伦输出端口90输出；内耦合线82分为两段关于结构中轴线对称的折线，内耦合线82的另一端共同连接在内线接地线86的一端，并由内线接地线86另一端的内耦合线接地端口91接入四端口接地端7。
73.金属保护环壁89是对称分布在外耦合线83外侧的两段的c形金属壁，c形金属壁的最底部与金属地结构3接触；外耦合线83的一端接入到金属保护环壁89，从两段金属保护环壁89分别引出下接地线87、上接地线88，并分别通过下接地端口92、上接地端口93与邻近的四端口接地端7连接。
74.如图27所示基于飞鸟形单元的人工表面等离激元双模传输线的散射参数，在焊盘激励的情况下，可以看出在59-64ghz的通信频带内，一端口反射系数s11始终低于-15db，奇模与偶模的传输系数s21与s43也都在-5db以上，具有良好的传输特性。同时可以看出端口一和端口三，以及端口二和端口四之间的传输系数均在-20db以下，具有很低的串扰。
75.如图28所示为采用天线引线161和跨层耦合天线162传输的结构示意图。偶模信号不通过总馈线103和环线104进行传输而是从介质材料2上方的天线引线161和跨层耦合天线162传输。天线引线161从偶模信号焊盘6引出，先经过梯形过渡段，后以带状线形式，经两次90
°
弯折到达金属带线4和蝶形人工表面等离激元单元140下方。跨层耦合天线162位于天线引线161末端，是一组横置的等距不等长的带状线放置在天线引线161，组成形似“王”的发射天线，将其上的信号向上层的结构耦合传输。
76.如图29所示是图28所述结构的反射系数与传输系数在59-64ghz的通信范围内，反射系数s11均在-20db以下，奇模传输系数s21达到-3db,偶模传输系数s43也在-5db以上。而反映端口间耦合程度的传输系数s31与s41也达到了-25db以下，不同端口之间具有良好的隔离和低串扰特性。
77.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。