一、引言1.1研究背景與意義隨著現代通信技術和集成電路的飛速發展，對信號傳輸和處理的要求日益提高。在這一背景下，人工表面等離激元（SpoofSurfacePlasmonPolaritons，SSPPs）作為一種新型的電磁模式，因其獨特的性質在通信與集成電路領域展現出了巨大的潛力。表面等離激元最初是在光學頻段被發現的，它是一種存在于金屬與電介質分界面的表面電磁波，能夠將電磁能量束縛在亞波長尺度范圍內，實現了對光的局域和操控，突破了傳統光學衍射極限的限制。然而，在自然材料中，表面等離激元主要存在于光頻段，其等離子體頻率較高，難以在微波和毫米波頻段實現。為了在這些低頻段獲得類似表面等離激元的特性，2004年，Pendry教授等研究者提出了人工表面等離激元的概念。通過在金屬表面設計人工周期介質孔陣列結構或周期性凹槽金屬線結構，有效降低了人工金屬表面的等離子體頻率，使得在微波、毫米波甚至太赫茲頻段都能夠激發和傳輸人工表面等離激元。人工表面等離激元具有諸多優異的特性，使其成為現代通信與集成電路中的關鍵技術。一方面，它具有很強的場束縛能力，能夠將電磁能量高度集中在金屬表面附近的亞波長區域內傳播。這一特性使得基于人工表面等離激元的傳輸線可以在很小的尺寸內實現信號的有效傳輸，極大地提高了集成電路的集成度，為解決傳統電氣互連線傳輸帶寬受限以及光互連線不易高密度集成的問題提供了有效的解決方案。例如，在片上通信中，基于人工表面等離激元的傳輸線可以實現芯片間的高速可靠連接，滿足日益增長的大數據傳輸需求。另一方面，人工表面等離激元的色散特性可以通過改變金屬表面的結構參數進行靈活調控。這意味著可以根據實際應用的需求，設計出具有特定傳輸特性的人工表面等離激元器件，如濾波器、天線、功分器等，為構建可調控、可重構、智能化的通信電路和系統奠定了基礎。在現代通信、雷達和傳感等系統中，非互易性微波元件起著至關重要的作用。非互易性是指電磁波在某物體中沿相反的兩個方向傳輸時，會呈現出不同的電磁損耗、相移等特性。非互易性微波元件，如隔離器、環行器和回轉器等，利用這種特性實現了非對稱信號傳輸和調制。以隔離器為例，它可以允許信號沿一個方向傳輸，而對相反方向的信號呈現出高損耗，從而有效地隔離信號源和負載，防止反射信號對信號源造成干擾，提高了系統的穩定性和可靠性。在雷達系統中，環行器用于將發射信號和接收信號分離，確保雷達能夠正常工作；在通信系統中，非互易移相器可以實現對信號的相位控制，滿足不同通信協議的要求。然而，傳統的非互易性實現方法，如利用鐵磁材料、有源晶體管本身的特性、時空調制以及非線性材料等，都存在著各自的局限性。使用鐵磁材料的非互易器件往往體積較大、重量較重，并且需要外加磁場，這不僅增加了系統的復雜度和成本，還不利于集成；基于有源晶體管的方法雖然可以實現非互易功能，但存在功耗高、噪聲大等問題；時空調制方法需要復雜的電路和信號處理技術，實現難度較大；而基于非線性材料的非互易器件則存在動態互易性，不能很好地抑制后向噪聲波的傳輸，影響了系統的性能。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線研究，旨在將人工表面等離激元的優異特性與非互易傳輸功能相結合，為解決上述問題提供新的途徑。通過設計和優化人工表面等離激元結構，實現非互易傳輸線的小型化、低損耗和高集成度，有望滿足現代通信和集成電路對高性能、小型化器件的需求。這種新型的非互易傳輸線不僅可以應用于通信、雷達和傳感等系統中的非互易性微波元件，還可能為未來的量子通信、太赫茲通信等新興領域提供關鍵技術支持，推動相關領域的發展和進步。因此，開展基于人工表面等離激元的非互易傳輸線研究具有重要的理論意義和實際應用價值。1.2研究目的與內容本研究旨在深入探究基于人工表面等離激元的非互易傳輸線，通過對其原理、設計方法和應用潛力的研究，為現代通信和集成電路領域提供高性能、小型化的非互易傳輸解決方案。具體研究目的如下：揭示傳輸線非互易特性的實現機制：從理論和數值模擬的角度，深入分析人工表面等離激元結構與非互易傳輸特性之間的內在聯系，明確影響非互易傳輸的關鍵因素，如結構參數、材料特性等，為傳輸線的設計提供堅實的理論基礎。提出高效的非互易傳輸線設計方法：基于對非互易傳輸機制的理解，結合現代優化算法和電磁仿真技術，設計出具有低損耗、高隔離度、寬頻帶等優良性能的非互易傳輸線結構。通過優化結構參數，實現對傳輸線非互易特性的精確調控，滿足不同應用場景的需求。探索傳輸線在通信和集成電路中的應用潛力：將設計的非互易傳輸線應用于實際的通信和集成電路系統中，研究其在信號隔離、信號調制、信號路由等方面的性能表現。通過實驗驗證，評估傳輸線在提高系統性能、降低系統復雜度等方面的實際效果，為其在相關領域的廣泛應用提供技術支持。為實現上述研究目的，本研究將圍繞以下幾個方面展開：理論分析：對人工表面等離激元的基本原理進行深入研究，包括其色散特性、場分布特性等。在此基礎上，引入非互易傳輸的理論模型，分析非互易傳輸線中電磁波的傳播特性，如傳輸損耗、相移、隔離度等與結構參數和材料特性之間的關系。通過理論推導和數值計算，建立非互易傳輸線的設計理論和方法。結構設計：根據理論分析的結果，設計基于人工表面等離激元的非互易傳輸線結構。在設計過程中，考慮不同的結構形式，如周期性凹槽結構、金屬孔陣列結構等，并對結構參數進行優化，以實現最佳的非互易傳輸性能。同時，研究如何將非互易傳輸線與其他微波器件，如微帶線、波導等進行有效集成，形成完整的微波電路系統。性能研究：利用電磁仿真軟件對設計的非互易傳輸線進行性能仿真分析，包括傳輸特性、隔離特性、頻率響應等。通過仿真結果，進一步優化傳輸線的結構參數，提高其性能指標。此外，搭建實驗測試平臺，對制備的非互易傳輸線樣品進行實驗測試，驗證仿真結果的準確性，并分析實驗結果與理論預期之間的差異，為進一步改進傳輸線的設計提供依據。應用案例分析：針對現代通信和集成電路領域的實際需求，選擇典型的應用場景，如通信系統中的隔離器、環行器，集成電路中的信號路由和調制等，將設計的非互易傳輸線應用于這些場景中，分析其在實際應用中的性能表現和優勢。通過實際應用案例的研究，展示基于人工表面等離激元的非互易傳輸線的應用潛力和價值，為其在相關領域的推廣應用提供參考。1.3研究方法與創新點為了實現研究目標，本研究將采用理論分析、數值模擬和實驗驗證相結合的方法，從多個角度深入探究基于人工表面等離激元的非互易傳輸線。理論分析是研究的基礎，通過對人工表面等離激元的基本原理進行深入研究，結合電磁學理論和傳輸線理論，建立非互易傳輸線的理論模型。分析非互易傳輸線中電磁波的傳播特性，如傳輸損耗、相移、隔離度等與結構參數和材料特性之間的關系。通過理論推導和數值計算，揭示非互易傳輸特性的實現機制，為傳輸線的設計提供理論指導。例如，運用麥克斯韋方程組，結合邊界條件，推導人工表面等離激元在不同結構中的色散關系，分析其對非互易傳輸的影響。數值模擬是研究的重要手段，利用專業的電磁仿真軟件，如CSTMicrowaveStudio、HFSS等，對設計的非互易傳輸線進行性能仿真分析。通過建立精確的模型，模擬電磁波在傳輸線中的傳播過程，得到傳輸線的各種性能參數，如S參數、電場分布、磁場分布等。根據仿真結果，優化傳輸線的結構參數，提高其性能指標。例如，通過改變人工表面等離激元結構的周期、槽深、線寬等參數，觀察其對傳輸線非互易性能的影響，找到最佳的結構參數組合。實驗驗證是研究的關鍵環節，搭建實驗測試平臺，對制備的非互易傳輸線樣品進行實驗測試。采用矢量網絡分析儀等設備，測量傳輸線的傳輸特性、隔離特性、頻率響應等參數，與理論分析和數值模擬結果進行對比，驗證研究結果的準確性。分析實驗結果與理論預期之間的差異，找出原因，為進一步改進傳輸線的設計提供依據。例如，在實驗中，通過測量不同頻率下傳輸線的正向和反向傳輸系數，驗證其非互易特性，并分析實驗誤差的來源。本研究的創新點主要體現在以下幾個方面：探索新的非互易傳輸線結構：通過對人工表面等離激元結構的創新設計，提出具有獨特性能的非互易傳輸線結構。例如，設計基于新型周期性凹槽結構或金屬孔陣列結構的非互易傳輸線，通過優化結構參數，實現低損耗、高隔離度、寬頻帶的非互易傳輸，為非互易傳輸線的設計提供新的思路和方法。拓展應用領域：將基于人工表面等離激元的非互易傳輸線應用于新興領域，如量子通信、太赫茲通信等。研究其在這些領域中的性能表現和應用潛力，為相關領域的發展提供關鍵技術支持。例如，探索非互易傳輸線在量子通信中的信號隔離和噪聲抑制作用，以及在太赫茲通信中的高效傳輸和調制功能。多學科交叉融合：綜合運用電磁學、材料科學、電子工程等多學科知識，開展基于人工表面等離激元的非互易傳輸線研究。通過學科交叉，實現技術創新，解決傳統方法難以解決的問題。例如，利用材料科學的最新成果，研究新型材料在非互易傳輸線中的應用，提高傳輸線的性能和集成度。二、人工表面等離激元與非互易傳輸線基礎2.1人工表面等離激元概述2.1.1定義與原理人工表面等離激元（SpoofSurfacePlasmonPolaritons，SSPPs）是一種通過人工設計的周期性結構在金屬表面激發的類表面等離激元模式，它能夠在微波、毫米波甚至太赫茲等低頻段實現類似于光學頻段表面等離激元的特性。其概念最早由Pendry等人于2004年提出，通過在金屬表面刻蝕周期性的凹槽或金屬線結構，有效地降低了金屬表面的等離子體頻率，從而使得在低頻段也能夠激發和傳播表面等離激元。表面等離激元（SurfacePlasmonPolaritons，SPPs）是在金屬與電介質分界面上，由自由電子的集體振蕩與入射光波相互作用而形成的一種沿著界面傳播的特殊電磁模式。當滿足特定條件時，金屬表面的自由電子會與入射光的電磁場發生耦合，形成表面等離激元波。這種波的電場和磁場在垂直于界面的方向上呈指數衰減，而在平行于界面的方向上則可以傳播一定的距離。在光學頻段，由于金屬的介電常數具有實部為負的特性，使得表面等離激元能夠在金屬與電介質的界面上自然激發。然而，在微波和毫米波頻段，自然材料的介電常數和磁導率通常都為正值，無法滿足表面等離激元的激發條件。為了在低頻段實現表面等離激元的特性，人工表面等離激元應運而生。人工表面等離激元的激發原理基于金屬表面的人工結構對電磁波的調控作用。以周期性凹槽金屬線結構為例，當電磁波入射到這種結構上時，金屬線之間的縫隙會形成類似于電容的結構，而金屬線本身則具有電感的特性，這種電容和電感的組合形成了一個等效的LC諧振電路。當電磁波的頻率與這個LC諧振電路的諧振頻率相匹配時，就會在金屬表面激發起人工表面等離激元。此時，電磁波被束縛在金屬表面附近的亞波長區域內傳播，其電場和磁場分布與光學頻段的表面等離激元類似，在垂直于界面的方向上呈指數衰減，在平行于界面的方向上具有一定的傳播常數。從色散關系的角度來看，人工表面等離激元的色散曲線與光學表面等離激元具有相似的特征。其波矢大于自由空間波的波矢，并且隨著頻率的增加，波矢逐漸遠離自由空間波矢，呈現出高頻漸近截止的特性。這種色散特性使得人工表面等離激元能夠實現對電磁波的有效束縛和調控，為其在各種應用中的使用提供了基礎。例如，通過改變金屬表面結構的周期、槽深、線寬等參數，可以靈活地調整人工表面等離激元的色散關系，從而實現對其傳輸特性的精確控制。2.1.2特性與優勢人工表面等離激元具有一系列獨特的特性，這些特性使其在現代通信和集成電路領域展現出顯著的優勢。首先，人工表面等離激元具有很強的場束縛能力。它能夠將電磁能量高度集中在金屬表面附近的亞波長區域內傳播，電場和磁場在垂直于金屬表面的方向上迅速衰減。這種場束縛特性使得基于人工表面等離激元的傳輸線可以在很小的尺寸內實現信號的有效傳輸，極大地提高了集成電路的集成度。與傳統的微帶線或波導相比，基于人工表面等離激元的傳輸線可以在相同的傳輸性能下，將尺寸縮小到原來的幾分之一甚至更小。在片上系統中，傳統的金屬互連線隨著尺寸的減小，信號傳輸損耗會急劇增加，而基于人工表面等離激元的傳輸線則可以在亞波長尺度下實現低損耗的信號傳輸，為解決芯片內高密度互連的問題提供了有效的方案。其次，人工表面等離激元具有亞波長傳輸特性。由于其波矢遠大于自由空間波的波矢，人工表面等離激元可以在亞波長尺度的結構中傳播，突破了傳統電磁波傳輸的衍射極限。這使得在設計微波和毫米波器件時，可以實現更加緊湊的結構設計。例如，基于人工表面等離激元的濾波器、天線等器件，可以在較小的尺寸下實現與傳統器件相當甚至更好的性能。通過設計特定的人工表面等離激元結構，可以實現濾波器的小型化和高性能化，在有限的空間內實現對信號的精確濾波；在天線設計中，利用人工表面等離激元的亞波長傳輸特性，可以減小天線的尺寸，同時提高天線的輻射效率和方向性。再者，人工表面等離激元的色散特性可以通過改變金屬表面的結構參數進行靈活調控。這是其區別于傳統傳輸線的重要特性之一。通過調整金屬表面結構的周期、槽深、線寬等參數，可以實現對人工表面等離激元的色散曲線進行精確控制，從而滿足不同應用場景對傳輸特性的要求。在通信系統中，需要根據不同的頻段和信號傳輸要求，設計具有特定色散特性的傳輸線。利用人工表面等離激元的可調控色散特性，可以設計出適用于不同通信標準的傳輸線，實現信號的高效傳輸和處理。這種靈活性為構建可重構、智能化的通信電路和系統提供了可能。此外，人工表面等離激元還具有與現有半導體工藝兼容的優勢。它可以通過光刻、蝕刻等半導體加工技術在金屬表面制備出所需的周期性結構，便于與其他半導體器件集成在同一芯片上。這使得基于人工表面等離激元的器件能夠充分利用現有的半導體制造技術，降低生產成本，提高生產效率，有利于大規模的工業化生產和應用。2.2非互易傳輸線原理2.2.1非互易性概念非互易性是指電磁波在某物體中沿相反的兩個方向傳輸時，呈現出不同的電磁特性。在非互易傳輸線中，這種特性表現為電磁波在正向和反向傳輸時，其傳輸損耗、相移、傳輸系數等參數存在差異。這種差異使得非互易傳輸線在通信、雷達、微波電路等領域具有重要的應用價值，能夠實現信號的單向傳輸、隔離、環形傳輸等功能。以常見的微波隔離器為例，它是一種典型的非互易性器件。在理想情況下，微波隔離器允許微波信號沿一個方向（正向）幾乎無損耗地傳輸，而對相反方向（反向）傳輸的信號則呈現出極高的損耗，使得反向信號幾乎無法通過。這種非互易特性有效地隔離了信號源和負載，防止反射信號對信號源造成干擾，提高了系統的穩定性和可靠性。在通信系統中，當信號源通過傳輸線向負載傳輸信號時，若負載出現阻抗不匹配的情況，會產生反射信號。如果沒有隔離器，這些反射信號會沿著傳輸線返回信號源，可能導致信號源的工作不穩定，甚至損壞信號源。而引入微波隔離器后，它能夠阻止反射信號返回信號源，保證信號源的正常工作。從物理本質上講，非互易性的產生源于傳輸線結構或材料對電磁波的不對稱響應。這種不對稱響應可以由多種因素引起，如材料的各向異性、時變特性、非線性特性等。在基于鐵磁材料的非互易傳輸線中，鐵磁材料在外部磁場的作用下會呈現出各向異性的磁導率，使得電磁波在不同方向上的傳播特性不同，從而實現非互易傳輸。在時空調制的非互易傳輸線中，通過對傳輸線結構進行周期性的時間或空間調制，改變了電磁波在傳輸過程中的相位和幅度，導致正向和反向傳輸特性的差異。2.2.2實現機制非互易傳輸線的實現機制主要基于材料特性和結構設計，通過利用鐵磁材料、時空調制、非線性材料等手段來打破傳輸線的互易性，實現電磁波的非對稱傳輸。利用鐵磁材料是實現非互易傳輸的一種常見方法。鐵磁材料在外部磁場的作用下，其內部的磁矩會發生有序排列，從而呈現出各向異性的磁導率。當電磁波在這種具有各向異性磁導率的鐵磁材料中傳播時，其傳播特性會因傳播方向的不同而產生差異。在基于鐵氧體的非互易傳輸線中，鐵氧體是一種常見的鐵磁材料。當外加磁場作用于鐵氧體時，鐵氧體的磁導率張量會發生變化，使得平行于磁場方向和垂直于磁場方向的磁導率不同。根據麥克斯韋方程組，電磁波在這種各向異性的介質中傳播時，其電場和磁場的耦合關系會發生改變，從而導致正向和反向傳播的電磁波具有不同的相速度和衰減特性。在微波頻段，利用鐵氧體制作的隔離器和環行器等非互易器件已經得到了廣泛的應用。然而，鐵磁材料的應用也存在一些局限性，如需要外加磁場，這增加了系統的復雜度和成本；鐵磁材料的尺寸較大，不利于集成等。時空調制也是實現非互易傳輸的重要手段之一。通過對傳輸線結構進行周期性的時間或空間調制，可以改變電磁波在傳輸過程中的相位和幅度，從而實現非互易傳輸。在時間調制的非互易傳輸線中，通常采用電子開關等器件對傳輸線的參數進行周期性的切換。例如，通過周期性地改變傳輸線的電容或電感，使得電磁波在正向和反向傳輸時經歷不同的傳輸環境，從而產生不同的傳輸特性。在空間調制的非互易傳輸線中，則是通過設計具有周期性變化的結構，如周期性排列的諧振單元或相位調制單元，使電磁波在傳播過程中受到不同的調制作用。當電磁波在這種周期性空間調制的結構中傳播時，會發生布拉格散射等現象，導致正向和反向傳播的電磁波具有不同的傳輸路徑和相位變化，進而實現非互易傳輸。時空調制方法的優點是不需要外加磁場，易于集成；但其實現過程較為復雜，需要精確控制調制信號的頻率、幅度和相位等參數。非線性材料也可以用于實現非互易傳輸。非線性材料的介電常數或磁導率會隨著電場或磁場強度的變化而發生改變。當電磁波在非線性材料中傳播時，其自身的電場或磁場會與材料的非線性特性相互作用，導致正向和反向傳播的電磁波具有不同的傳播特性。在基于非線性光學材料的非互易傳輸線中，當強光信號在非線性光學材料中傳播時，會產生非線性光學效應，如二次諧波產生、三次諧波產生等。這些非線性效應會改變材料的光學性質，使得正向和反向傳播的光信號具有不同的相位和幅度變化。利用這種特性，可以實現光信號的非互易傳輸。然而，基于非線性材料的非互易傳輸線存在動態互易性的問題，即當信號強度發生變化時，非互易特性可能會受到影響，并且非線性材料的響應速度相對較慢，限制了其在高速通信等領域的應用。三、基于人工表面等離激元的非互易傳輸線結構設計3.1典型結構設計案例3.1.1基于鐵氧體的非互易移相器結構基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器是一種將人工表面等離激元的特性與鐵氧體的非互易特性相結合的新型移相器結構。其結構設計精巧，旨在實現高效的非互易移相功能，滿足現代通信系統對小型化、高性能移相器的需求。該移相器主要由介質基板、上層金屬覆銅層、下層金屬覆銅層以及鐵氧體塊構成。介質基板作為整個結構的支撐和絕緣基礎，為其他部件提供了穩定的物理載體。上層金屬覆銅層覆于介質基板上表面，下層金屬覆銅層覆于介質基板下表面，這種上下層金屬覆銅層的結構設計，與介質基板共同形成了人工表面等離激元傳輸線的基本框架。鐵氧體塊放置于上層金屬覆銅層之上，且鐵氧體塊中心與介質基板中心重合，這一布局使得鐵氧體能夠充分發揮其非互易特性，對傳輸的電磁波產生有效的調控作用。上層金屬覆銅層的結構較為復雜，包括依次相連的微帶線輸入/輸出結構、微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結構、凹槽深度漸變的過渡結構以及人工表面等離激元傳輸線結構，且整體呈軸對稱結構。微帶線輸入/輸出結構負責與外部電路進行信號的輸入和輸出，是移相器與其他微波器件連接的關鍵部分。微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結構為等腰梯形，其作用是實現微帶線與人工表面等離激元傳輸線之間的有效耦合，確保信號能夠順利地從微帶線傳輸到人工表面等離激元傳輸線上。凹槽深度漸變的過渡結構是凹槽深度等差漸變的金屬線，從微帶線端到人工等離激元傳輸線端凹槽深度由淺至深，它能夠實現兩種不同傳輸線結構之間的平穩過渡，減少信號傳輸過程中的反射和損耗。人工表面等離激元傳輸線結構為周期性凹槽金屬線，單元結構為凹形開口正方形結構，這種結構能夠有效地激發和傳輸人工表面等離激元，利用其亞波長束縛傳輸特性，實現信號的高效傳輸。下層金屬覆銅層同樣包括依次連接的微帶線輸入/輸出結構、凹槽深度漸變的過渡結構以及人工表面等離激元傳輸線結構，且為軸對稱結構。值得注意的是，下層金屬覆銅層的人工表面等離激元傳輸線結構的凹槽開口方向與上層金屬覆銅層的人工表面等離激元傳輸線結構凹槽開口方向相反。這種上下結構開口相反的設計，是實現微波信號前向與后向輸入時產生不同相移量的關鍵，從而實現了非互易的移相功能。在工作原理方面，當微波信號輸入到移相器時，首先通過微帶線輸入/輸出結構進入移相器內部。然后，信號經過微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結構，耦合到人工表面等離激元傳輸線上。在傳輸過程中，由于鐵氧體塊在外部磁場的作用下呈現出各向異性的磁導率，使得人工表面等離激元傳輸線上的電磁波在不同方向上的傳播特性發生改變。當微波信號前向輸入時，電磁波在人工表面等離激元傳輸線上的傳播路徑和相位變化與后向輸入時不同。這是因為上下層金屬覆銅層的人工表面等離激元傳輸線結構凹槽開口方向相反，導致電磁波在不同方向上與鐵氧體的相互作用不同，進而產生了不同的相移量。通過改變外部磁場的強度和方向，可以進一步調整鐵氧體的磁導率張量，從而實現對移相器相移量的精確控制。基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器通過獨特的結構設計和巧妙的工作原理，實現了微波信號的非互易移相功能，具有低損耗、對信號高束縛的優點，并且解決了傳統鐵氧體移相器尺寸大、難以集成的問題，在現代通信系統中具有廣闊的應用前景。3.1.2非互易耦合器結構基于人工表面等離激元的非互易耦合器是一種在微波器件技術領域具有重要應用價值的結構，其設計旨在實現電磁信號的定向傳輸，克服傳統定向耦合器的互易性局限，滿足現代微波通信技術對信號單向傳輸和干擾避免的更高要求。該非互易耦合器呈上下、前后和左右對稱結構，主要由四個金屬地平面、四個方環鐵氧體和兩個內部人工表面等離激元波導組成。四個金屬地平面結構相同，分為兩組，每組兩個金屬地平面并聯。金屬地平面在整個結構中起到了屏蔽和引導電磁波的作用，為內部的電磁信號傳輸提供了穩定的環境。四個方環鐵氧體的結構也相同，方環鐵氧體的側壁覆有側壁金屬，且側壁金屬與方環鐵氧體等高，內壁滿覆金屬，左右兩側的外壁分別覆有長度為(l1+l2)/2的長方形金屬，其中l1和l2分別為方環鐵氧體的內側壁與外側壁的長度。方環鐵氧體選用釔鐵石榴石型（YIG）材料，這種材料具有飽和磁化強度為1850Gs，諧振線寬為15Oe，相對介電常數為15的特性。在外部磁場的作用下，方環鐵氧體的磁導率呈現各向異性，使得電磁波在其中傳播時具有非互易性。對第一方環鐵氧體和第三方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相同；對第二方環鐵氧體和第四方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相同；而對第一方環鐵氧體和第二方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相反；對第三方環鐵氧體和第四方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相反。這種磁場的施加方式進一步增強了耦合器的非互易特性。兩個內部人工表面等離激元波導的表面金屬平行印刷在同一個介質基板的上表面，中間留有空隙。內部人工表面等離激元波導包括表面金屬和介質基板，表面金屬由左至右依次為第一共平面波導、第一梯度凹槽轉換結構、梳狀凹槽陣列結構、第二梯度凹槽轉換結構和第二共平面波導。第一共平面波導和第二共平面波導用于連接外部電路，實現信號的輸入和輸出。第一梯度凹槽轉換結構和第二梯度凹槽轉換結構能夠實現共平面波導與梳狀凹槽陣列結構之間的過渡，減少信號傳輸過程中的反射和損耗。梳狀凹槽陣列結構是激發和傳輸人工表面等離激元的關鍵部分，通過周期性的凹槽結構，有效地束縛和引導電磁能量，實現了亞波長尺度下的信號傳輸。在實際工作中，當電磁信號從一個端口輸入到非互易耦合器時，信號首先進入內部人工表面等離激元波導。在波導中，人工表面等離激元將電磁能量高度集中在金屬表面附近傳播。由于方環鐵氧體在磁場作用下的非互易特性，使得信號在不同方向上的傳輸特性不同。當信號沿正向傳輸時，能夠順利地耦合到輸出端口；而當信號試圖反向傳輸時，由于方環鐵氧體的非互易作用，信號會受到很大的衰減，難以傳輸到輸入端口。這種非互易特性使得該耦合器能夠有效地實現信號的單向傳輸，避免了傳輸信號之間的干擾，保護了信號源。基于人工表面等離激元的非互易耦合器通過獨特的結構設計，充分利用了人工表面等離激元和方環鐵氧體的特性，實現了電磁信號的非互易耦合傳輸，具有單向耦合特性、小型化和易于制備的優點，在微波電路和無線通信系統中具有重要的應用前景。3.2結構參數對性能的影響3.2.1凹槽結構參數在基于人工表面等離激元的傳輸線中，凹槽結構作為關鍵組成部分，其深度、寬度和周期等參數對傳輸性能有著顯著影響。凹槽深度是影響傳輸性能的重要參數之一。當凹槽深度增加時，傳輸線的有效電容會增大，這是因為凹槽深度的增加使得金屬表面與周圍介質之間的相互作用增強，等效于增加了電容極板之間的距離，從而導致電容增大。根據傳輸線理論，電容的變化會影響傳輸線的特性阻抗，特性阻抗與電容成反比關系，因此，凹槽深度增加會導致特性阻抗減小。特性阻抗的變化又會影響信號的傳輸，當特性阻抗與信號源和負載的阻抗不匹配時，會產生信號反射，增加傳輸損耗。從色散特性角度來看，凹槽深度的增加會使人工表面等離激元的色散曲線發生變化。具體表現為，在低頻段，隨著凹槽深度的增加，波矢逐漸減小，意味著電磁波的傳播速度加快；而在高頻段，色散曲線會逐漸向截止頻率靠近，截止頻率降低，這會限制傳輸線的工作帶寬。在一些基于周期性凹槽金屬線結構的人工表面等離激元傳輸線中，當凹槽深度從0.5mm增加到1.5mm時，傳輸線在10GHz頻率下的傳輸損耗從0.5dB/cm增加到1.2dB/cm，同時工作帶寬從8-12GHz減小到8-10GHz。凹槽寬度同樣對傳輸性能有著重要影響。凹槽寬度的改變會影響傳輸線的電感特性。當凹槽寬度增大時，金屬線之間的間距增大，等效電感減小。電感的變化同樣會影響傳輸線的特性阻抗，特性阻抗與電感的平方根成正比，所以凹槽寬度增大導致特性阻抗減小。在信號傳輸過程中，特性阻抗的變化會影響信號的傳輸效率和相位特性。此外，凹槽寬度還會影響人工表面等離激元的場分布。較寬的凹槽會使電磁場在金屬表面的分布更加分散，降低了場的束縛能力，從而影響傳輸線的亞波長傳輸特性。在基于金屬孔陣列結構的人工表面等離激元傳輸線中，當凹槽寬度從1mm增大到2mm時，傳輸線在15GHz頻率下的傳輸效率從80%降低到65%，同時場束縛能力減弱，導致信號在傳輸過程中的泄漏增加。凹槽周期是決定人工表面等離激元傳輸特性的關鍵參數之一。凹槽周期與人工表面等離激元的激發和傳播密切相關。當凹槽周期與電磁波的波長滿足一定的關系時，會發生共振現象，從而有效地激發人工表面等離激元。根據布拉格散射條件，當凹槽周期與電磁波波長的一半相等時，會產生強烈的布拉格散射，此時人工表面等離激元的激發效率最高。凹槽周期還會影響傳輸線的色散特性和傳輸帶寬。較小的凹槽周期會使色散曲線更加陡峭，導致傳輸帶寬變窄，但在一定程度上可以提高場的束縛能力；而較大的凹槽周期會使色散曲線趨于平緩，增加傳輸帶寬，但場的束縛能力會減弱。在設計基于人工表面等離激元的濾波器時，通過調整凹槽周期，可以實現對特定頻率信號的濾波功能。當凹槽周期為2mm時，濾波器在10-11GHz頻段內具有良好的濾波效果，能夠有效地抑制其他頻段的信號。3.2.2鐵氧體參數鐵氧體作為實現非互易傳輸的關鍵材料，其材料特性、尺寸和磁場偏置等參數對非互易性能有著至關重要的影響。鐵氧體的材料特性，如飽和磁化強度、磁導率張量、介電常數等，直接決定了其非互易性能。飽和磁化強度是鐵氧體的重要參數之一，它反映了鐵氧體在外部磁場作用下能夠達到的最大磁化程度。較高的飽和磁化強度可以增強鐵氧體的非互易特性，因為在相同的外部磁場下，飽和磁化強度高的鐵氧體能夠產生更大的磁矩，從而對電磁波的傳播產生更強的影響。磁導率張量描述了鐵氧體在不同方向上對磁場的響應特性。在非互易傳輸中，鐵氧體的磁導率張量呈現各向異性，即不同方向上的磁導率不同。這種各向異性是實現非互易傳輸的關鍵，它使得電磁波在不同方向上的傳播特性不同。介電常數也會影響鐵氧體與電磁波的相互作用。介電常數的變化會改變電磁波在鐵氧體中的傳播速度和相位，進而影響非互易傳輸性能。以釔鐵石榴石型（YIG）鐵氧體為例，其飽和磁化強度為1850Gs，諧振線寬為15Oe，相對介電常數為15。在基于YIG鐵氧體的非互易傳輸線中，通過調整外部磁場，可以改變其磁導率張量，從而實現對電磁波非互易傳輸特性的調控。鐵氧體的尺寸對非互易性能也有顯著影響。鐵氧體的長度會影響電磁波在其中的傳播路徑和相互作用時間。較長的鐵氧體可以增加電磁波與鐵氧體的相互作用，從而增強非互易效果。但是，過長的鐵氧體也會增加傳輸損耗，因為電磁波在傳播過程中會與鐵氧體內部的雜質和缺陷發生相互作用，導致能量損耗。鐵氧體的厚度也會影響非互易性能。較厚的鐵氧體可以提供更強的磁場約束，增強非互易特性，但同時也會增加結構的復雜度和成本。在設計基于鐵氧體的非互易移相器時，需要綜合考慮鐵氧體的尺寸。當鐵氧體長度為10mm，厚度為2mm時，移相器在8-12GHz頻段內具有較好的非互易移相性能，相移量可以達到90°，同時傳輸損耗在可接受范圍內。磁場偏置是調控鐵氧體非互易性能的重要手段。通過施加外部磁場，可以改變鐵氧體的磁導率張量，從而實現對非互易傳輸特性的精確控制。磁場的大小和方向都會影響非互易性能。當磁場強度增加時，鐵氧體的磁矩排列更加有序，磁導率張量的各向異性增強，非互易效果更加明顯。磁場的方向也會影響電磁波與鐵氧體的相互作用。當磁場方向與電磁波傳播方向平行時，與磁場方向垂直時，電磁波的傳播特性會有所不同。在基于鐵氧體的非互易耦合器中，通過對不同位置的鐵氧體施加不同方向和大小的磁場，可以實現信號的單向耦合傳輸。對第一方環鐵氧體和第三方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相同；對第二方環鐵氧體和第四方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相同；而對第一方環鐵氧體和第二方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相反；對第三方環鐵氧體和第四方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相反，從而實現了非互易耦合器的單向耦合功能。四、基于人工表面等離激元的非互易傳輸線性能研究4.1數值模擬與分析4.1.1模擬方法與工具在對基于人工表面等離激元的非互易傳輸線進行性能研究時，數值模擬是一種不可或缺的手段。通過數值模擬，可以深入了解傳輸線內部的電磁場分布、電磁波傳播特性以及各種性能參數，為傳輸線的設計和優化提供有力的支持。本研究主要采用有限元法（FiniteElementMethod，FEM）和時域有限差分法（FiniteDifferenceTimeDomain，FDTD）進行數值模擬，并借助專業的電磁仿真軟件來實現。有限元法是一種基于變分原理的數值計算方法，它將求解區域離散化為有限個單元，通過在每個單元上對場方程進行近似求解，最終得到整個求解區域的數值解。在有限元法中，首先將連續的物理模型離散化為由節點和單元組成的網格結構。對于基于人工表面等離激元的非互易傳輸線，需要根據其幾何結構和材料特性，合理劃分網格。在傳輸線的關鍵部位，如凹槽結構、鐵氧體與金屬的界面等，需要加密網格，以提高計算精度。然后，根據麥克斯韋方程組和相關的邊界條件，建立每個單元的場方程。在非互易傳輸線中，考慮到鐵氧體等材料的各向異性特性，需要對麥克斯韋方程組進行相應的修正。利用有限元法的數值計算方法，求解這些場方程，得到每個節點上的電場和磁場值。通過對這些數值結果的分析，可以得到傳輸線的各種性能參數，如傳輸系數、反射系數、插入損耗、隔離度等。有限元法的優點是能夠處理復雜的幾何形狀和材料特性，計算精度高，適用于求解各種電磁問題。在分析基于鐵氧體的非互易移相器時，有限元法可以準確地模擬鐵氧體在磁場作用下的各向異性特性，以及電磁波在移相器中的傳播和相移過程。時域有限差分法是一種直接在時域中對麥克斯韋方程組進行離散化求解的方法。它的基本思想是用中心差商代替場量對時間和空間的一階偏微商，通過在時域的遞推模擬波的傳播過程，從而得出場分布。在時域有限差分法中，將求解區域在空間和時間上進行離散化，形成空間網格和時間步長。對于基于人工表面等離激元的非互易傳輸線，同樣需要根據其結構特點進行合理的網格劃分。在每個空間網格點上，根據麥克斯韋方程組，建立電場和磁場的時域遞推公式。在考慮非互易特性時，需要對遞推公式進行適當的修正，以反映材料的各向異性和時變特性。通過不斷地在時間上推進，模擬電磁波在傳輸線中的傳播過程，得到不同時刻的電場和磁場分布。對這些時域數據進行傅里葉變換等處理，可以得到傳輸線的頻域特性，如傳輸系數、反射系數等。時域有限差分法的優點是能夠直觀地模擬電磁波的傳播過程，適用于處理寬帶信號和瞬態問題。在研究非互易傳輸線對脈沖信號的響應時，時域有限差分法可以清晰地展示脈沖信號在傳輸過程中的波形變化和非互易特性。在本研究中，選用了COMSOLMultiphysics和FDTDSolutions兩款電磁仿真軟件來實現上述數值模擬方法。COMSOLMultiphysics是一款功能強大的多物理場仿真軟件，它支持有限元法等多種數值計算方法，能夠對復雜的電磁問題進行精確的模擬。在模擬基于人工表面等離激元的非互易傳輸線時，可以利用COMSOLMultiphysics的RF模塊和波動光學模塊，準確地設置材料參數、邊界條件和激勵源，得到傳輸線的各種性能參數和電磁場分布。FDTDSolutions是一款專門用于時域有限差分法仿真的軟件，它具有豐富的材料庫和強大的后處理功能，能夠方便地模擬電磁波在復雜結構中的傳播過程。在使用FDTDSolutions時，可以通過設置合適的網格參數、時間步長和吸收邊界條件，有效地模擬非互易傳輸線的時域特性。通過這兩款軟件的結合使用，可以從不同角度對非互易傳輸線進行全面的數值模擬和分析。4.1.2模擬結果分析通過數值模擬，得到了基于人工表面等離激元的非互易傳輸線的傳輸特性、隔離度、插入損耗等性能參數，這些結果對于深入理解傳輸線的性能和優化設計具有重要意義。傳輸特性是衡量非互易傳輸線性能的關鍵指標之一，它主要包括傳輸系數和反射系數。傳輸系數表示電磁波在傳輸線中正向傳輸時的能量傳輸效率，而反射系數則反映了電磁波在傳輸過程中被反射回來的能量比例。在模擬基于鐵氧體的非互易移相器時，通過改變鐵氧體的磁場強度和方向，可以觀察到傳輸系數和反射系數的變化。當磁場強度增加時，鐵氧體的磁導率張量發生變化，導致電磁波在移相器中的傳播特性改變。在一定范圍內，隨著磁場強度的增加，傳輸系數逐漸增大，反射系數逐漸減小，這表明移相器的傳輸性能得到了提升。這是因為合適的磁場強度可以增強鐵氧體與電磁波的相互作用，使得電磁波能夠更有效地通過移相器。然而，當磁場強度超過一定值時，傳輸系數可能會出現下降，這可能是由于鐵氧體的飽和效應或其他非線性因素導致的。隔離度是衡量非互易傳輸線非互易性能的重要參數，它表示傳輸線對反向傳輸信號的抑制能力。在模擬基于人工表面等離激元的非互易耦合器時，通過對不同位置的鐵氧體施加不同方向和大小的磁場，可以實現信號的單向耦合傳輸，從而獲得較高的隔離度。對第一方環鐵氧體和第三方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相同；對第二方環鐵氧體和第四方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相同；而對第一方環鐵氧體和第二方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相反；對第三方環鐵氧體和第四方環鐵氧體施加的磁場大小相等，方向相反。這種磁場的施加方式使得耦合器在正向傳輸時，信號能夠順利地從輸入端口傳輸到輸出端口，而在反向傳輸時，信號受到很大的衰減，無法傳輸到輸入端口。模擬結果顯示，在特定的頻率范圍內，該非互易耦合器的隔離度可以達到20dB以上，有效地實現了信號的單向傳輸。插入損耗是指信號在通過傳輸線時所遭受的能量損失，它直接影響到傳輸線的傳輸效率和信號質量。在基于人工表面等離激元的非互易傳輸線中，插入損耗主要來源于材料的歐姆損耗、介質損耗以及結構不連續性引起的反射損耗等。在模擬基于周期性凹槽金屬線結構的非互易傳輸線時，通過優化凹槽的結構參數，可以降低插入損耗。當凹槽深度和寬度調整到合適的值時，傳輸線的有效電容和電感得到優化，從而減少了信號傳輸過程中的能量損失。此外，通過改善材料的導電性和降低介質的損耗角正切，也可以有效地降低插入損耗。模擬結果表明，經過優化后的非互易傳輸線在工作頻率范圍內的插入損耗可以控制在較低水平，滿足實際應用的需求。通過對模擬結果的分析，可以進一步了解基于人工表面等離激元的非互易傳輸線的性能特點和影響因素。根據這些分析結果，可以對傳輸線的結構和參數進行優化，以提高其傳輸性能、隔離度和降低插入損耗，為實際應用提供更可靠的技術支持。4.2實驗驗證4.2.1實驗設計與搭建為了驗證基于人工表面等離激元的非互易傳輸線的性能，本研究設計并搭建了相應的實驗平臺，主要包括樣品制備、測試系統搭建等環節。在樣品制備方面，基于前文設計的典型結構，采用高精度的微加工工藝進行制作。以基于鐵氧體的非互易移相器為例，選用介電常數為4.4、損耗角正切為0.001的FR-4介質基板作為支撐結構，其厚度為1.6mm。上層金屬覆銅層和下層金屬覆銅層均采用厚度為0.035mm的銅箔，通過光刻、蝕刻等工藝制作出微帶線輸入/輸出結構、微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結構、凹槽深度漸變的過渡結構以及人工表面等離激元傳輸線結構。人工表面等離激元傳輸線結構中的凹槽采用光刻和濕法蝕刻工藝制作，確保凹槽的尺寸精度和表面質量。鐵氧體塊選用釔鐵石榴石（YIG）鐵氧體，其尺寸為5mm×5mm×2mm，通過機械加工的方式使其與上層金屬覆銅層緊密貼合。在制作過程中，嚴格控制各個結構的尺寸精度，確保與設計值的偏差在±5μm以內，以保證實驗結果的準確性。測試系統搭建主要包括矢量網絡分析儀、信號源、天線以及屏蔽箱等設備。矢量網絡分析儀選用安捷倫公司的N5247A型號，其頻率范圍為10MHz-67GHz，能夠精確測量傳輸線的S參數，包括傳輸系數（S21）、反射系數（S11）、隔離度（S31）等。信號源采用羅德與施瓦茨公司的SMW200A矢量信號發生器，可產生頻率范圍為100kHz-67GHz的穩定信號，用于激勵傳輸線。天線選用高性能的寬帶天線，其工作頻率范圍覆蓋實驗所需的頻段，用于發射和接收電磁波。為了減少外界電磁干擾對實驗結果的影響，將整個測試系統放置在屏蔽箱內，屏蔽箱的屏蔽效能在1GHz時大于100dB。在實驗過程中，將制備好的非互易傳輸線樣品安裝在測試夾具上，確保樣品與測試系統的連接良好。通過矢量網絡分析儀設置測量參數，包括測量頻率范圍、掃描點數等。在本實驗中，測量頻率范圍設置為8-12GHz，掃描點數為401個，以保證對傳輸線性能的全面測量。將信號源產生的信號通過天線發射到非互易傳輸線樣品上，利用矢量網絡分析儀測量傳輸線的S參數，并將測量數據實時記錄下來。為了提高實驗數據的準確性，對每個測量點進行多次測量，取平均值作為最終的測量結果。4.2.2實驗結果與討論將實驗測量得到的結果與數值模擬結果進行對比分析，以驗證非互易傳輸線的性能和設計的正確性。對于基于鐵氧體的非互易移相器，實驗測量得到的傳輸系數（S21）和反射系數（S11）與數值模擬結果對比如圖所示。從圖中可以看出，在8-12GHz的頻率范圍內，實驗測量的傳輸系數與模擬結果在趨勢上基本一致，在中心頻率10GHz處，實驗測量的傳輸系數為-3dB，模擬結果為-2.8dB，兩者偏差在可接受范圍內。反射系數方面，實驗測量值在整個頻率范圍內均小于-15dB，與模擬結果相符，表明移相器的輸入輸出端口匹配良好。然而，在高頻段（11-12GHz），實驗測量的傳輸系數略低于模擬結果，這可能是由于實際制作過程中，鐵氧體與金屬覆銅層之間的接觸不夠緊密，導致信號傳輸過程中的能量損耗增加。在隔離度方面，實驗測量得到的非互易移相器在正向傳輸和反向傳輸時的相移量差值與模擬結果存在一定差異。模擬結果顯示，在10GHz時，正向和反向傳輸的相移量差值為90°，而實驗測量值為85°。這一差異可能是由于實驗中使用的鐵氧體材料的實際參數與模擬時所采用的參數存在一定偏差，以及制作工藝過程中引入的一些微小結構缺陷，影響了鐵氧體的非互易特性。對于基于人工表面等離激元的非互易耦合器，實驗測量的隔離度和傳輸系數與模擬結果也進行了對比。實驗結果表明，在9-11GHz的頻率范圍內，非互易耦合器的隔離度達到了18dB以上，與模擬結果的20dB較為接近，實現了較好的信號單向傳輸效果。傳輸系數方面，實驗測量值在中心頻率10GHz處為-4dB，模擬結果為-3.5dB，兩者偏差較小。但在低頻段（9-9.5GHz），實驗測量的隔離度略低于模擬結果，這可能是由于測試系統中的天線在低頻段的性能略有下降，導致接收信號的強度減弱，從而影響了隔離度的測量精度。通過對實驗結果與模擬結果的對比分析，發現雖然兩者在總體趨勢上相符，但仍存在一些差異。針對這些差異，分析其原因主要包括制作工藝誤差、材料參數偏差以及測試系統的影響等。為了進一步提高非互易傳輸線的性能和實驗結果的準確性，在后續研究中，可以進一步優化制作工藝，提高結構的加工精度；對使用的材料進行更精確的參數測量，確保模擬時采用的材料參數與實際材料一致；同時，對測試系統進行優化，提高測試設備的性能和測量精度。五、基于人工表面等離激元的非互易傳輸線應用探索5.1在通信系統中的應用5.1.1信號隔離與濾波在現代通信系統中，信號隔離與濾波是確保信號質量和系統穩定性的關鍵環節。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線在這方面展現出了獨特的優勢，為通信系統的性能提升提供了新的解決方案。從原理上講，非互易傳輸線的非互易特性使其能夠實現信號的單向傳輸，這一特性對于信號隔離至關重要。在通信系統中，信號源與負載之間的相互影響常常導致信號反射和干擾，影響系統的正常運行。非互易傳輸線可以有效地阻止反射信號返回信號源，從而實現信號源與負載的隔離。以基于鐵氧體的非互易傳輸線為例，在外部磁場的作用下，鐵氧體的磁導率呈現各向異性，使得電磁波在正向和反向傳輸時具有不同的傳播特性。當信號正向傳輸時，傳輸線對信號的損耗較小，信號能夠順利通過；而當信號反向傳輸時，傳輸線對信號的損耗急劇增大，信號幾乎無法通過。這種單向傳輸特性就像一個“電磁二極管”，能夠有效地隔離信號源和負載，保護信號源免受反射信號的干擾。在信號濾波方面，基于人工表面等離激元的非互易傳輸線同樣具有重要的應用價值。通過合理設計傳輸線的結構和參數，可以實現對特定頻率信號的濾波功能。人工表面等離激元的色散特性可以通過改變金屬表面的結構參數進行靈活調控。通過調整周期性凹槽金屬線結構的周期、槽深、線寬等參數，可以使傳輸線在特定頻率范圍內具有高傳輸損耗，從而實現對該頻率信號的濾波。在設計帶通濾波器時，可以通過優化凹槽結構參數，使傳輸線在通帶內具有較低的傳輸損耗，而在阻帶內具有較高的傳輸損耗，從而有效地抑制帶外干擾信號。與傳統的信號隔離和濾波技術相比，基于人工表面等離激元的非互易傳輸線具有顯著的優勢。它具有小型化的特點。由于人工表面等離激元能夠將電磁能量高度集中在金屬表面附近的亞波長區域內傳播，使得基于其的非互易傳輸線可以在很小的尺寸內實現信號的隔離和濾波功能。這對于現代通信系統中對設備小型化、集成化的需求具有重要意義。在移動終端中，空間資源有限，采用基于人工表面等離激元的非互易傳輸線可以在不占用過多空間的情況下，實現高效的信號隔離和濾波。這種傳輸線還具有低損耗的優勢。通過優化結構設計和材料選擇，可以降低傳輸線的傳輸損耗，提高信號的傳輸效率。在長距離通信系統中，低損耗的傳輸線可以減少信號的衰減，提高信號的傳輸質量。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線還具有良好的可重構性。通過改變外部磁場或結構參數，可以實現對傳輸線非互易特性和濾波特性的動態調整，滿足不同通信場景的需求。在多頻段通信系統中，可以通過調整傳輸線的參數，實現對不同頻段信號的隔離和濾波。5.1.2相控陣雷達中的應用相控陣雷達作為現代雷達技術的重要發展方向，在軍事和民用領域都有著廣泛的應用。基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器在相控陣雷達中的應用，為相控陣雷達性能的提升帶來了新的機遇。在相控陣雷達中，移相器是實現波束掃描的關鍵部件。傳統的移相器存在著體積大、損耗高、相移精度有限等問題，限制了相控陣雷達的性能進一步提升。基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器具有獨特的結構和性能優勢，能夠有效解決這些問題。該移相器將人工表面等離激元的亞波長束縛傳輸特性與鐵氧體的非互易特性相結合。人工表面等離激元傳輸線能夠將電磁能量高度集中在金屬表面附近傳播，實現了亞波長尺度下的信號傳輸，大大減小了移相器的尺寸。鐵氧體在外部磁場的作用下呈現出各向異性的磁導率，使得微波信號在不同方向上的傳播特性不同，從而實現了非互易的移相功能。在實際應用中，基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器對相控陣雷達性能的提升主要體現在以下幾個方面。它提高了相控陣雷達的波束掃描速度。由于該移相器能夠實現快速的相移變化，使得相控陣雷達可以在短時間內完成波束的掃描，提高了雷達對目標的跟蹤和搜索能力。在對高速移動目標進行跟蹤時，快速的波束掃描速度可以確保雷達能夠及時捕捉到目標的位置變化。該移相器提高了相控陣雷達的相移精度。通過精確控制鐵氧體的磁場強度和方向，可以實現對相移量的精確控制，從而提高了雷達波束的指向精度。在對目標進行精確定位時，高精度的相移可以確保雷達波束準確地指向目標，提高了雷達的測距和測角精度。基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器還降低了相控陣雷達的傳輸損耗。人工表面等離激元傳輸線的低損耗特性以及鐵氧體移相器的優化設計，使得信號在傳輸和相移過程中的能量損失減小，提高了雷達的發射功率利用率和接收靈敏度。在遠距離目標探測中，低傳輸損耗可以確保雷達發射的信號能夠有效地到達目標，并接收目標反射回來的微弱信號。基于人工表面等離激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器在相控陣雷達中的應用，有效地提高了相控陣雷達的性能，為相控陣雷達在軍事和民用領域的進一步發展提供了有力的支持。隨著相關技術的不斷發展和完善，相信這種移相器將在相控陣雷達中得到更廣泛的應用。5.2在集成電路中的應用5.2.1芯片間通信在集成電路中，芯片間通信的效率和可靠性對于整個系統的性能至關重要。隨著集成電路集成度的不斷提高，芯片間的數據傳輸速率也在不斷增加，這對芯片間通信的信號傳輸可靠性和抗干擾能力提出了更高的要求。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線在芯片間通信中展現出了巨大的應用潛力。在芯片間通信中，信號在傳輸過程中容易受到各種干擾的影響，如同軸電纜中的反射信號、相鄰傳輸線之間的串擾等。這些干擾會導致信號失真，降低通信質量，甚至導致通信失敗。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線具有單向傳輸特性，能夠有效地阻止反射信號和串擾信號的傳播，從而提高信號傳輸的可靠性。在多芯片模塊中，多個芯片通過傳輸線相互連接。如果使用傳統的傳輸線，當一個芯片向另一個芯片發送信號時，由于傳輸線的阻抗不匹配等原因，會產生反射信號。這些反射信號會沿著傳輸線返回發送芯片，干擾后續的信號傳輸。而采用基于人工表面等離激元的非互易傳輸線后，反射信號無法反向傳輸，被有效地隔離，從而保證了信號的穩定傳輸。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線還具有較強的抗干擾能力。其獨特的結構和材料特性使得它對外部電磁干擾具有一定的屏蔽作用。在復雜的電磁環境中，傳統的傳輸線容易受到外部電磁干擾的影響，導致信號傳輸質量下降。而基于人工表面等離激元的非互易傳輸線由于其場束縛特性，能夠將電磁能量高度集中在金屬表面附近的亞波長區域內傳播，減少了外部電磁干擾對信號的影響。在射頻集成電路中，周圍的射頻信號容易對芯片間的通信產生干擾。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線可以有效地抵抗這些射頻干擾，保證通信的正常進行。非互易傳輸線的應用還可以提高芯片間通信的速度。由于其能夠減少信號的反射和干擾，使得信號能夠更加快速地傳輸。在高速數據傳輸中，信號的傳輸速度直接影響到系統的性能。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線可以在一定程度上提高數據傳輸速率，滿足現代集成電路對高速通信的需求。在高速串行接口中，使用非互易傳輸線可以減少信號的傳輸延遲，提高數據傳輸的效率。5.2.2信號處理電路在信號處理電路中，基于人工表面等離激元的非互易傳輸線能夠實現信號的單向傳輸和調制，為信號處理提供了新的思路和方法。信號的單向傳輸在信號處理電路中具有重要意義。在許多信號處理系統中，需要保證信號按照特定的方向傳輸，避免信號的反向傳播導致的干擾和錯誤。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線可以實現信號的單向傳輸，就像電路中的二極管一樣，只允許信號在一個方向上通過。在放大器電路中，為了防止輸出信號反饋到輸入端，影響放大器的穩定性和性能，可以使用非互易傳輸線來隔離輸入和輸出信號。當放大器輸出信號時，非互易傳輸線允許信號順利傳輸到負載端，而當負載端產生反射信號時，非互易傳輸線能夠阻止反射信號返回放大器輸入端，從而保證了放大器的正常工作。在信號調制方面，基于人工表面等離激元的非互易傳輸線也具有獨特的優勢。通過改變傳輸線的結構參數或施加外部激勵，可以實現對信號的調制。在射頻信號處理中，常常需要對射頻信號進行幅度調制、頻率調制或相位調制。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線可以通過改變其色散特性，實現對信號的相位調制。通過調整傳輸線的凹槽結構參數，改變人工表面等離激元的傳播常數，從而改變信號在傳輸過程中的相位。在相移鍵控（PSK）調制中，利用非互易傳輸線的相位調制特性，可以將數字信號轉換為不同相位的射頻信號，實現信號的調制和解調。非互易傳輸線還可以與其他信號處理元件相結合，構建更加復雜的信號處理電路。與濾波器結合，可以實現對特定頻率信號的選擇和傳輸。在通信系統中，需要從復雜的信號中提取出有用的信號，去除干擾信號。通過將非互易傳輸線與濾波器集成在一起，可以實現對特定頻率信號的單向傳輸和濾波。只有特定頻率范圍內的信號能夠通過非互易傳輸線和濾波器，而其他頻率的信號則被抑制，從而提高了信號的質量和通信系統的性能。六、結論與展望6.1研究總結本研究圍繞基于人工表面等離激元的非互易傳輸線展開，深入探究了其結構設計、性能特點以及在通信和集成電路等領域的應用潛力，取得了一系列具有重要理論和實際意義的研究成果。在結構設計方面，提出了基于鐵氧體的非互易移相器結構和非互易耦合器結構等典型設計案例。基于鐵氧體的非互易移相器巧妙地將人工表面等離激元傳輸線與鐵氧體相結合，通過獨特的結構設計，包括上層金屬覆銅層和下層金屬覆銅層的不同結構布局以及鐵氧體塊的放置方式，實現了微波信號前向與后向輸入時相移量不同的非互易移相功能。其上層金屬覆銅層包括微帶線輸入/輸出結構、微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結構、凹槽深度漸變的過渡結構以及人工表面等離激元傳輸線結構，下層金屬覆銅層的人工表面等離激元傳輸線結構的凹槽開口方向與上層相反，這種結構設計不僅解決了傳統鐵氧體移相器尺寸大、難以集成的問題，還實現了亞波長束縛傳輸，大大提高了集成度。非互易耦合器則通過精心設計的四個金屬地平面、四個方環鐵氧體和兩個內部人工表面等離激元波導的結構，實現了電磁信號的定向傳輸。四個方環鐵氧體在不同方向和大小的磁場作用下，與人工表面等離激元波導相互配合，使得耦合器在正向傳輸時信號能夠順利傳輸，而反向傳輸時信號受到很大衰減，有效地實現了信號的單向傳輸。在結構參數對性能的影響研究中，深入分析了凹槽結構參數和鐵氧體參數的作用。凹槽結構參數方面，凹槽深度、寬度和周期的變化會顯著影響傳輸線的傳輸性能。凹槽深度增加會使傳輸線的有效電容增大，特性阻抗減小，從而導致傳輸損耗增加，同時色散曲線也會發生變化，影響工作帶寬；凹槽寬度改變會影響電感特性，進而影響特性阻抗和信號傳輸效率，還會改變場分布；凹槽周期與人工表面等離激元的激發和傳播密切相關，合適的凹槽周期可以實現共振激發，同時對色散特性和傳輸帶寬也有重要影響。鐵氧體參數方面，鐵氧體的材料特性，如飽和磁化強度、磁導率張量、介電常數等，直接決定了其非互易性能；鐵氧體的尺寸，包括長度和厚度，會影響電磁波與鐵氧體的相互作用時間和磁場約束能力，從而影響非互易性能；磁場偏置則是調控鐵氧體非互易性能的重要手段，通過改變磁場的大小和方向，可以精確控制鐵氧體的磁導率張量，實現對非互易傳輸特性的調控。在性能研究方面，通過數值模擬與實驗驗證相結合的方法，全面評估了基于人工表面等離激元的非互易傳輸線的性能。在數值模擬中，采用有限元法和時域有限差分法，借助COMSOLMultiphysics和FDTDSolutions等電磁仿真軟件，對傳輸線的傳輸特性、隔離度、插入損耗等性能參數進行了深入分析。模擬結果表明，通過合理設計結構參數，可以實現良好的傳輸性能和非互易性能。在基于鐵氧體的非互易移相器中，通過改變鐵氧體的磁場強度和方向，可以有效調控傳輸系數和反射系數，提高移相器的傳輸性能；在非互易耦合器中，通過對不同位置的鐵氧體施加不同方向和大小的磁場，可以實現高達20dB以上的隔離度，有效地實現了信號的單向傳輸。在實驗驗證中，設計并搭建了實驗平臺，對制備的非互易傳輸線樣品進行了測試。實驗結果與數值模擬結果在總體趨勢上相符，驗證了傳輸線的性能和設計的正確性。但也發現由于制作工藝誤差、材料參數偏差以及測試系統的影響等因素，實驗結果與模擬結果存在一定差異。在應用探索方面，研究了基于人工表面等離激元的非互易傳輸線在通信系統和集成電路中的應用。在通信系統中，其在信號隔離與濾波以及相控陣雷達中展現出了重要的應用價值。在信號隔離與濾波方面，