一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，對(duì)信號(hào)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(dú)特的性質(zhì)在通信與集成電路領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。表面等離激元最初是在光學(xué)頻段被發(fā)現(xiàn)的，它是一種存在于金屬與電介質(zhì)分界面的表面電磁波，能夠?qū)㈦姶拍芰渴`在亞波長(zhǎng)尺度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的局域和操控，突破了傳統(tǒng)光學(xué)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(shí)現(xiàn)。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(shè)計(jì)人工周期介質(zhì)孔陣列結(jié)構(gòu)或周期性凹槽金屬線結(jié)構(gòu)，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(fā)和傳輸人工表面等離激元。人工表面等離激元具有諸多優(yōu)異的特性，使其成為現(xiàn)代通信與集成電路中的關(guān)鍵技術(shù)。一方面，它具有很強(qiáng)的場(chǎng)束縛能力，能夠?qū)㈦姶拍芰扛叨燃性诮饘俦砻娓浇膩啿ㄩL(zhǎng)區(qū)域內(nèi)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(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸，極大地提高了集成電路的集成度，為解決傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)芯片間的高速可靠連接，滿足日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)控。這意味著可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)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(gòu)建可調(diào)控、可重構(gòu)、智能化的通信電路和系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)代通信、雷達(dá)和傳感等系統(tǒng)中，非互易性微波元件起著至關(guān)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(gè)方向傳輸時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)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(huán)行器和回轉(zhuǎn)器等，利用這種特性實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱信號(hào)傳輸和調(diào)制。以隔離器為例，它可以允許信號(hào)沿一個(gè)方向傳輸，而對(duì)相反方向的信號(hào)呈現(xiàn)出高損耗，從而有效地隔離信號(hào)源和負(fù)載，防止反射信號(hào)對(duì)信號(hào)源造成干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在雷達(dá)系統(tǒng)中，環(huán)行器用于將發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分離，確保雷達(dá)能夠正常工作；在通信系統(tǒng)中，非互易移相器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的相位控制，滿足不同通信協(xié)議的要求。然而，傳統(tǒng)的非互易性實(shí)現(xiàn)方法，如利用鐵磁材料、有源晶體管本身的特性、時(shí)空調(diào)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(chǎng)，這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)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(shí)現(xiàn)非互易功能，但存在功耗高、噪聲大等問題；時(shí)空調(diào)制方法需要復(fù)雜的電路和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)難度較大；而基于非線性材料的非互易器件則存在動(dòng)態(tài)互易性，不能很好地抑制后向噪聲波的傳輸，影響了系統(tǒng)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(yōu)異特性與非互易傳輸功能相結(jié)合，為解決上述問題提供新的途徑。通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化人工表面等離激元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)非互易傳輸線的小型化、低損耗和高集成度，有望滿足現(xiàn)代通信和集成電路對(duì)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(yīng)用于通信、雷達(dá)和傳感等系統(tǒng)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(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支持，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2研究目的與內(nèi)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(duì)其原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用潛力的研究，為現(xiàn)代通信和集成電路領(lǐng)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(shí)現(xiàn)機(jī)制：從理論和數(shù)值模擬的角度，深入分析人工表面等離激元結(jié)構(gòu)與非互易傳輸特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，明確影響非互易傳輸?shù)年P(guān)鍵因素，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性等，為傳輸線的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。提出高效的非互易傳輸線設(shè)計(jì)方法：基于對(duì)非互易傳輸機(jī)制的理解，結(jié)合現(xiàn)代優(yōu)化算法和電磁仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)出具有低損耗、高隔離度、寬頻帶等優(yōu)良性能的非互易傳輸線結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線非互易特性的精確調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。探索傳輸線在通信和集成電路中的應(yīng)用潛力：將設(shè)計(jì)的非互易傳輸線應(yīng)用于實(shí)際的通信和集成電路系統(tǒng)中，研究其在信號(hào)隔離、信號(hào)調(diào)制、信號(hào)路由等方面的性能表現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)估傳輸線在提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)復(fù)雜度等方面的實(shí)際效果，為其在相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。為實(shí)現(xiàn)上述研究目的，本研究將圍繞以下幾個(gè)方面展開：理論分析：對(duì)人工表面等離激元的基本原理進(jìn)行深入研究，包括其色散特性、場(chǎng)分布特性等。在此基礎(chǔ)上，引入非互易傳輸?shù)睦碚撃Ｐ停治龇腔ヒ讉鬏斁€中電磁波的傳播特性，如傳輸損耗、相移、隔離度等與結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性之間的關(guān)系。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算，建立非互易傳輸線的設(shè)計(jì)理論和方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)理論分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)基于人工表面等離激元的非互易傳輸線結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，考慮不同的結(jié)構(gòu)形式，如周期性凹槽結(jié)構(gòu)、金屬孔陣列結(jié)構(gòu)等，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的非互易傳輸性能。同時(shí)，研究如何將非互易傳輸線與其他微波器件，如微帶線、波導(dǎo)等進(jìn)行有效集成，形成完整的微波電路系統(tǒng)。性能研究：利用電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的非互易傳輸線進(jìn)行性能仿真分析，包括傳輸特性、隔離特性、頻率響應(yīng)等。通過仿真結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高其性能指標(biāo)。此外，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)制備的非互易傳輸線樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期之間的差異，為進(jìn)一步改進(jìn)傳輸線的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。應(yīng)用案例分析：針對(duì)現(xiàn)代通信和集成電路領(lǐng)域的實(shí)際需求，選擇典型的應(yīng)用場(chǎng)景，如通信系統(tǒng)中的隔離器、環(huán)行器，集成電路中的信號(hào)路由和調(diào)制等，將設(shè)計(jì)的非互易傳輸線應(yīng)用于這些場(chǎng)景中，分析其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)和優(yōu)勢(shì)。通過實(shí)際應(yīng)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(yīng)用潛力和價(jià)值，為其在相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，本研究將采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，從多個(gè)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(chǔ)，通過對(duì)人工表面等離激元的基本原理進(jìn)行深入研究，結(jié)合電磁學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性之間的關(guān)系。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算，揭示非互易傳輸特性的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，為傳輸線的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。例如，運(yùn)用麥克斯韋方程組，結(jié)合邊界條件，推導(dǎo)人工表面等離激元在不同結(jié)構(gòu)中的色散關(guān)系，分析其對(duì)非互易傳輸?shù)挠绊?。?shù)值模擬是研究的重要手段，利用專業(yè)的電磁仿真軟件，如CSTMicrowaveStudio、HFSS等，對(duì)設(shè)計(jì)的非互易傳輸線進(jìn)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(shù)，如S參數(shù)、電場(chǎng)分布、磁場(chǎng)分布等。根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高其性能指標(biāo)。例如，通過改變?nèi)斯け砻娴入x激元結(jié)構(gòu)的周期、槽深、線寬等參數(shù)，觀察其對(duì)傳輸線非互易性能的影響，找到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)制備的非互易傳輸線樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，測(cè)量傳輸線的傳輸特性、隔離特性、頻率響應(yīng)等參數(shù)，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期之間的差異，找出原因，為進(jìn)一步改進(jìn)傳輸線的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。例如，在實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)量不同頻率下傳輸線的正向和反向傳輸系數(shù)，驗(yàn)證其非互易特性，并分析實(shí)驗(yàn)誤差的來源。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：探索新的非互易傳輸線結(jié)構(gòu)：通過對(duì)人工表面等離激元結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出具有獨(dú)特性能的非互易傳輸線結(jié)構(gòu)。例如，設(shè)計(jì)基于新型周期性凹槽結(jié)構(gòu)或金屬孔陣列結(jié)構(gòu)的非互易傳輸線，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)提供新的思路和方法。拓展應(yīng)用領(lǐng)域：將基于人工表面等離激元的非互易傳輸線應(yīng)用于新興領(lǐng)域，如量子通信、太赫茲通信等。研究其在這些領(lǐng)域中的性能表現(xiàn)和應(yīng)用潛力，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支持。例如，探索非互易傳輸線在量子通信中的信號(hào)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(diào)制功能。多學(xué)科交叉融合：綜合運(yùn)用電磁學(xué)、材料科學(xué)、電子工程等多學(xué)科知識(shí)，開展基于人工表面等離激元的非互易傳輸線研究。通過學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題。例如，利用材料科學(xué)的最新成果，研究新型材料在非互易傳輸線中的應(yīng)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(chǔ)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(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)在金屬表面激發(fā)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(shí)現(xiàn)類似于光學(xué)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(jié)構(gòu)，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(fā)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(zhì)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?zhèn)鞑サ奶厥怆姶拍Ｊ?。?dāng)滿足特定條件時(shí)，金屬表面的自由電子會(huì)與入射光的電磁場(chǎng)發(fā)生耦合，形成表面等離激元波。這種波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在垂直于界面的方向上呈指數(shù)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(xué)頻段，由于金屬的介電常數(shù)具有實(shí)部為負(fù)的特性，使得表面等離激元能夠在金屬與電介質(zhì)的界面上自然激發(fā)。然而，在微波和毫米波頻段，自然材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率通常都為正值，無法滿足表面等離激元的激發(fā)條件。為了在低頻段實(shí)現(xiàn)表面等離激元的特性，人工表面等離激元應(yīng)運(yùn)而生。人工表面等離激元的激發(fā)原理基于金屬表面的人工結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的調(diào)控作用。以周期性凹槽金屬線結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)電磁波入射到這種結(jié)構(gòu)上時(shí)，金屬線之間的縫隙會(huì)形成類似于電容的結(jié)構(gòu)，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(gè)等效的LC諧振電路。當(dāng)電磁波的頻率與這個(gè)LC諧振電路的諧振頻率相匹配時(shí)，就會(huì)在金屬表面激發(fā)起人工表面等離激元。此時(shí)，電磁波被束縛在金屬表面附近的亞波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)傳播，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布與光學(xué)頻段的表面等離激元類似，在垂直于界面的方向上呈指數(shù)衰減，在平行于界面的方向上具有一定的傳播常數(shù)。從色散關(guān)系的角度來看，人工表面等離激元的色散曲線與光學(xué)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(yuǎn)離自由空間波矢，呈現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的有效束縛和調(diào)控，為其在各種應(yīng)用中的使用提供了基礎(chǔ)。例如，通過改變金屬表面結(jié)構(gòu)的周期、槽深、線寬等參數(shù)，可以靈活地調(diào)整人工表面等離激元的色散關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其傳輸特性的精確控制。2.1.2特性與優(yōu)勢(shì)人工表面等離激元具有一系列獨(dú)特的特性，這些特性使其在現(xiàn)代通信和集成電路領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，人工表面等離激元具有很強(qiáng)的場(chǎng)束縛能力。它能夠?qū)㈦姶拍芰扛叨燃性诮饘俦砻娓浇膩啿ㄩL(zhǎng)區(qū)域內(nèi)傳播，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在垂直于金屬表面的方向上迅速衰減。這種場(chǎng)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(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸，極大地提高了集成電路的集成度。與傳統(tǒng)的微帶線或波導(dǎo)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(tǒng)中，傳統(tǒng)的金屬互連線隨著尺寸的減小，信號(hào)傳輸損耗會(huì)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(zhǎng)尺度下實(shí)現(xiàn)低損耗的信號(hào)傳輸，為解決芯片內(nèi)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(zhǎng)傳輸特性。由于其波矢遠(yuǎn)大于自由空間波的波矢，人工表面等離激元可以在亞波長(zhǎng)尺度的結(jié)構(gòu)中傳播，突破了傳統(tǒng)電磁波傳輸?shù)难苌錁O限。這使得在設(shè)計(jì)微波和毫米波器件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)器件相當(dāng)甚至更好的性能。通過設(shè)計(jì)特定的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化和高性能化，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精確濾波；在天線設(shè)計(jì)中，利用人工表面等離激元的亞波長(zhǎng)傳輸特性，可以減小天線的尺寸，同時(shí)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(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)控。這是其區(qū)別于傳統(tǒng)傳輸線的重要特性之一。通過調(diào)整金屬表面結(jié)構(gòu)的周期、槽深、線寬等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人工表面等離激元的色散曲線進(jìn)行精確控制，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)傳輸特性的要求。在通信系統(tǒng)中，需要根據(jù)不同的頻段和信號(hào)傳輸要求，設(shè)計(jì)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(diào)控色散特性，可以設(shè)計(jì)出適用于不同通信標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸和處理。這種靈活性為構(gòu)建可重構(gòu)、智能化的通信電路和系統(tǒng)提供了可能。此外，人工表面等離激元還具有與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容的優(yōu)勢(shì)。它可以通過光刻、蝕刻等半導(dǎo)體加工技術(shù)在金屬表面制備出所需的周期性結(jié)構(gòu)，便于與其他半導(dǎo)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(xiàn)有的半導(dǎo)體制造技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，有利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)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(gè)方向傳輸時(shí)，呈現(xiàn)出不同的電磁特性。在非互易傳輸線中，這種特性表現(xiàn)為電磁波在正向和反向傳輸時(shí)，其傳輸損耗、相移、傳輸系數(shù)等參數(shù)存在差異。這種差異使得非互易傳輸線在通信、雷達(dá)、微波電路等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的單向傳輸、隔離、環(huán)形傳輸?shù)裙δ?。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(hào)沿一個(gè)方向（正向）幾乎無損耗地傳輸，而對(duì)相反方向（反向）傳輸?shù)男盘?hào)則呈現(xiàn)出極高的損耗，使得反向信號(hào)幾乎無法通過。這種非互易特性有效地隔離了信號(hào)源和負(fù)載，防止反射信號(hào)對(duì)信號(hào)源造成干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在通信系統(tǒng)中，當(dāng)信號(hào)源通過傳輸線向負(fù)載傳輸信號(hào)時(shí)，若負(fù)載出現(xiàn)阻抗不匹配的情況，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)。如果沒有隔離器，這些反射信號(hào)會(huì)沿著傳輸線返回信號(hào)源，可能導(dǎo)致信號(hào)源的工作不穩(wěn)定，甚至損壞信號(hào)源。而引入微波隔離器后，它能夠阻止反射信號(hào)返回信號(hào)源，保證信號(hào)源的正常工作。從物理本質(zhì)上講，非互易性的產(chǎn)生源于傳輸線結(jié)構(gòu)或材料對(duì)電磁波的不對(duì)稱響應(yīng)。這種不對(duì)稱響應(yīng)可以由多種因素引起，如材料的各向異性、時(shí)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(chǎng)的作用下會(huì)呈現(xiàn)出各向異性的磁導(dǎo)率，使得電磁波在不同方向上的傳播特性不同，從而實(shí)現(xiàn)非互易傳輸。在時(shí)空調(diào)制的非互易傳輸線中，通過對(duì)傳輸線結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性的時(shí)間或空間調(diào)制，改變了電磁波在傳輸過程中的相位和幅度，導(dǎo)致正向和反向傳輸特性的差異。2.2.2實(shí)現(xiàn)機(jī)制非互易傳輸線的實(shí)現(xiàn)機(jī)制主要基于材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過利用鐵磁材料、時(shí)空調(diào)制、非線性材料等手段來打破傳輸線的互易性，實(shí)現(xiàn)電磁波的非對(duì)稱傳輸。利用鐵磁材料是實(shí)現(xiàn)非互易傳輸?shù)囊环N常見方法。鐵磁材料在外部磁場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部的磁矩會(huì)發(fā)生有序排列，從而呈現(xiàn)出各向異性的磁導(dǎo)率。當(dāng)電磁波在這種具有各向異性磁導(dǎo)率的鐵磁材料中傳播時(shí)，其傳播特性會(huì)因傳播方向的不同而產(chǎn)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(dāng)外加磁場(chǎng)作用于鐵氧體時(shí)，鐵氧體的磁導(dǎo)率張量會(huì)發(fā)生變化，使得平行于磁場(chǎng)方向和垂直于磁場(chǎng)方向的磁導(dǎo)率不同。根據(jù)麥克斯韋方程組，電磁波在這種各向異性的介質(zhì)中傳播時(shí)，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合關(guān)系會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)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(huán)行器等非互易器件已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鐵磁材料的應(yīng)用也存在一些局限性，如需要外加磁場(chǎng)，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本；鐵磁材料的尺寸較大，不利于集成等。時(shí)空調(diào)制也是實(shí)現(xiàn)非互易傳輸?shù)闹匾侄沃?。通過對(duì)傳輸線結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性的時(shí)間或空間調(diào)制，可以改變電磁波在傳輸過程中的相位和幅度，從而實(shí)現(xiàn)非互易傳輸。在時(shí)間調(diào)制的非互易傳輸線中，通常采用電子開關(guān)等器件對(duì)傳輸線的參數(shù)進(jìn)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(shí)經(jīng)歷不同的傳輸環(huán)境，從而產(chǎn)生不同的傳輸特性。在空間調(diào)制的非互易傳輸線中，則是通過設(shè)計(jì)具有周期性變化的結(jié)構(gòu)，如周期性排列的諧振單元或相位調(diào)制單元，使電磁波在傳播過程中受到不同的調(diào)制作用。當(dāng)電磁波在這種周期性空間調(diào)制的結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生布拉格散射等現(xiàn)象，導(dǎo)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)非互易傳輸。時(shí)空調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加磁場(chǎng)，易于集成；但其實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，需要精確控制調(diào)制信號(hào)的頻率、幅度和相位等參數(shù)。非線性材料也可以用于實(shí)現(xiàn)非互易傳輸。非線性材料的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率會(huì)隨著電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而發(fā)生改變。當(dāng)電磁波在非線性材料中傳播時(shí)，其自身的電場(chǎng)或磁場(chǎng)會(huì)與材料的非線性特性相互作用，導(dǎo)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(xué)材料的非互易傳輸線中，當(dāng)強(qiáng)光信號(hào)在非線性光學(xué)材料中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)，如二次諧波產(chǎn)生、三次諧波產(chǎn)生等。這些非線性效應(yīng)會(huì)改變材料的光學(xué)性質(zhì)，使得正向和反向傳播的光信號(hào)具有不同的相位和幅度變化。利用這種特性，可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(dòng)態(tài)互易性的問題，即當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，非互易特性可能會(huì)受到影響，并且非線性材料的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，限制了其在高速通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。三、基于人工表面等離激元的非互易傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例3.1.1基于鐵氧體的非互易移相器結(jié)構(gòu)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(jié)合的新型移相器結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧，旨在實(shí)現(xiàn)高效的非互易移相功能，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)小型化、高性能移相器的需求。該移相器主要由介質(zhì)基板、上層金屬覆銅層、下層金屬覆銅層以及鐵氧體塊構(gòu)成。介質(zhì)基板作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐和絕緣基礎(chǔ)，為其他部件提供了穩(wěn)定的物理載體。上層金屬覆銅層覆于介質(zhì)基板上表面，下層金屬覆銅層覆于介質(zhì)基板下表面，這種上下層金屬覆銅層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與介質(zhì)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(zhì)基板中心重合，這一布局使得鐵氧體能夠充分發(fā)揮其非互易特性，對(duì)傳輸?shù)碾姶挪óa(chǎn)生有效的調(diào)控作用。上層金屬覆銅層的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括依次相連的微帶線輸入/輸出結(jié)構(gòu)、微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結(jié)構(gòu)、凹槽深度漸變的過渡結(jié)構(gòu)以及人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)，且整體呈軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。微帶線輸入/輸出結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)與外部電路進(jìn)行信號(hào)的輸入和輸出，是移相器與其他微波器件連接的關(guān)鍵部分。微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結(jié)構(gòu)為等腰梯形，其作用是實(shí)現(xiàn)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(hào)能夠順利地從微帶線傳輸?shù)饺斯け砻娴入x激元傳輸線上。凹槽深度漸變的過渡結(jié)構(gòu)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?qū)崿F(xiàn)兩種不同傳輸線結(jié)構(gòu)之間的平穩(wěn)過渡，減少信號(hào)傳輸過程中的反射和損耗。人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)為周期性凹槽金屬線，單元結(jié)構(gòu)為凹形開口正方形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效地激發(fā)和傳輸人工表面等離激元，利用其亞波長(zhǎng)束縛傳輸特性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jié)構(gòu)、凹槽深度漸變的過渡結(jié)構(gòu)以及人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)，且為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)凹槽開口方向相反。這種上下結(jié)構(gòu)開口相反的設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)前向與后向輸入時(shí)產(chǎn)生不同相移量的關(guān)鍵，從而實(shí)現(xiàn)了非互易的移相功能。在工作原理方面，當(dāng)微波信號(hào)輸入到移相器時(shí)，首先通過微帶線輸入/輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)入移相器內(nèi)部。然后，信號(hào)經(jīng)過微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結(jié)構(gòu)，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(chǎng)的作用下呈現(xiàn)出各向異性的磁導(dǎo)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(fā)生改變。當(dāng)微波信號(hào)前向輸入時(shí)，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(shí)不同。這是因?yàn)樯舷聦咏饘俑层~層的人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)凹槽開口方向相反，導(dǎo)致電磁波在不同方向上與鐵氧體的相互作用不同，進(jìn)而產(chǎn)生了不同的相移量。通過改變外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以進(jìn)一步調(diào)整鐵氧體的磁導(dǎo)率張量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移相器相移量的精確控制?；谌斯け砻娴入x激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和巧妙的工作原理，實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)的非互易移相功能，具有低損耗、對(duì)信號(hào)高束縛的優(yōu)點(diǎn)，并且解決了傳統(tǒng)鐵氧體移相器尺寸大、難以集成的問題，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。3.1.2非互易耦合器結(jié)構(gòu)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(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的定向傳輸，克服傳統(tǒng)定向耦合器的互易性局限，滿足現(xiàn)代微波通信技術(shù)對(duì)信號(hào)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由四個(gè)金屬地平面、四個(gè)方環(huán)鐵氧體和兩個(gè)內(nèi)部人工表面等離激元波導(dǎo)組成。四個(gè)金屬地平面結(jié)構(gòu)相同，分為兩組，每組兩個(gè)金屬地平面并聯(lián)。金屬地平面在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到了屏蔽和引導(dǎo)電磁波的作用，為內(nèi)部的電磁信號(hào)傳輸提供了穩(wěn)定的環(huán)境。四個(gè)方環(huán)鐵氧體的結(jié)構(gòu)也相同，方環(huán)鐵氧體的側(cè)壁覆有側(cè)壁金屬，且側(cè)壁金屬與方環(huán)鐵氧體等高，內(nèi)壁滿覆金屬，左右兩側(cè)的外壁分別覆有長(zhǎng)度為(l1+l2)/2的長(zhǎng)方形金屬，其中l(wèi)1和l2分別為方環(huán)鐵氧體的內(nèi)側(cè)壁與外側(cè)壁的長(zhǎng)度。方環(huán)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(qiáng)度為1850Gs，諧振線寬為15Oe，相對(duì)介電常數(shù)為15的特性。在外部磁場(chǎng)的作用下，方環(huán)鐵氧體的磁導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性，使得電磁波在其中傳播時(shí)具有非互易性。對(duì)第一方環(huán)鐵氧體和第三方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相同；對(duì)第二方環(huán)鐵氧體和第四方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相同；而對(duì)第一方環(huán)鐵氧體和第二方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相反；對(duì)第三方環(huán)鐵氧體和第四方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相反。這種磁場(chǎng)的施加方式進(jìn)一步增強(qiáng)了耦合器的非互易特性。兩個(gè)內(nèi)部人工表面等離激元波導(dǎo)的表面金屬平行印刷在同一個(gè)介質(zhì)基板的上表面，中間留有空隙。內(nèi)部人工表面等離激元波導(dǎo)包括表面金屬和介質(zhì)基板，表面金屬由左至右依次為第一共平面波導(dǎo)、第一梯度凹槽轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、梳狀凹槽陣列結(jié)構(gòu)、第二梯度凹槽轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和第二共平面波導(dǎo)。第一共平面波導(dǎo)和第二共平面波導(dǎo)用于連接外部電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入和輸出。第一梯度凹槽轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和第二梯度凹槽轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)共平面波導(dǎo)與梳狀凹槽陣列結(jié)構(gòu)之間的過渡，減少信號(hào)傳輸過程中的反射和損耗。梳狀凹槽陣列結(jié)構(gòu)是激發(fā)和傳輸人工表面等離激元的關(guān)鍵部分，通過周期性的凹槽結(jié)構(gòu)，有效地束縛和引導(dǎo)電磁能量，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺度下的信號(hào)傳輸。在實(shí)際工作中，當(dāng)電磁信號(hào)從一個(gè)端口輸入到非互易耦合器時(shí)，信號(hào)首先進(jìn)入內(nèi)部人工表面等離激元波導(dǎo)。在波導(dǎo)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(huán)鐵氧體在磁場(chǎng)作用下的非互易特性，使得信號(hào)在不同方向上的傳輸特性不同。當(dāng)信號(hào)沿正向傳輸時(shí)，能夠順利地耦合到輸出端口；而當(dāng)信號(hào)試圖反向傳輸時(shí)，由于方環(huán)鐵氧體的非互易作用，信號(hào)會(huì)受到很大的衰減，難以傳輸?shù)捷斎攵丝?。這種非互易特性使得該耦合器能夠有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳輸，避免了傳輸信號(hào)之間的干擾，保護(hù)了信號(hào)源?；谌斯け砻娴入x激元的非互易耦合器通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分利用了人工表面等離激元和方環(huán)鐵氧體的特性，實(shí)現(xiàn)了電磁信號(hào)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(yōu)點(diǎn)，在微波電路和無線通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用前景。3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響3.2.1凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)在基于人工表面等離激元的傳輸線中，凹槽結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵組成部分，其深度、寬度和周期等參數(shù)對(duì)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(shù)之一。當(dāng)凹槽深度增加時(shí)，傳輸線的有效電容會(huì)增大，這是因?yàn)榘疾凵疃鹊脑黾邮沟媒饘俦砻媾c周圍介質(zhì)之間的相互作用增強(qiáng)，等效于增加了電容極板之間的距離，從而導(dǎo)致電容增大。根據(jù)傳輸線理論，電容的變化會(huì)影響傳輸線的特性阻抗，特性阻抗與電容成反比關(guān)系，因此，凹槽深度增加會(huì)導(dǎo)致特性阻抗減小。特性阻抗的變化又會(huì)影響信號(hào)的傳輸，當(dāng)特性阻抗與信號(hào)源和負(fù)載的阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)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(huì)使人工表面等離激元的色散曲線發(fā)生變化。具體表現(xiàn)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(huì)逐漸向截止頻率靠近，截止頻率降低，這會(huì)限制傳輸線的工作帶寬。在一些基于周期性凹槽金屬線結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元傳輸線中，當(dāng)凹槽深度從0.5mm增加到1.5mm時(shí)，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(shí)工作帶寬從8-12GHz減小到8-10GHz。凹槽寬度同樣對(duì)傳輸性能有著重要影響。凹槽寬度的改變會(huì)影響傳輸線的電感特性。當(dāng)凹槽寬度增大時(shí)，金屬線之間的間距增大，等效電感減小。電感的變化同樣會(huì)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(dǎo)致特性阻抗減小。在信號(hào)傳輸過程中，特性阻抗的變化會(huì)影響信號(hào)的傳輸效率和相位特性。此外，凹槽寬度還會(huì)影響人工表面等離激元的場(chǎng)分布。較寬的凹槽會(huì)使電磁場(chǎng)在金屬表面的分布更加分散，降低了場(chǎng)的束縛能力，從而影響傳輸線的亞波長(zhǎng)傳輸特性。在基于金屬孔陣列結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元傳輸線中，當(dāng)凹槽寬度從1mm增大到2mm時(shí)，傳輸線在15GHz頻率下的傳輸效率從80%降低到65%，同時(shí)場(chǎng)束縛能力減弱，導(dǎo)致信號(hào)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(guān)鍵參數(shù)之一。凹槽周期與人工表面等離激元的激發(fā)和傳播密切相關(guān)。當(dāng)凹槽周期與電磁波的波長(zhǎng)滿足一定的關(guān)系時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，從而有效地激發(fā)人工表面等離激元。根據(jù)布拉格散射條件，當(dāng)凹槽周期與電磁波波長(zhǎng)的一半相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的布拉格散射，此時(shí)人工表面等離激元的激發(fā)效率最高。凹槽周期還會(huì)影響傳輸線的色散特性和傳輸帶寬。較小的凹槽周期會(huì)使色散曲線更加陡峭，導(dǎo)致傳輸帶寬變窄，但在一定程度上可以提高場(chǎng)的束縛能力；而較大的凹槽周期會(huì)使色散曲線趨于平緩，增加傳輸帶寬，但場(chǎng)的束縛能力會(huì)減弱。在設(shè)計(jì)基于人工表面等離激元的濾波器時(shí)，通過調(diào)整凹槽周期，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)的濾波功能。當(dāng)凹槽周期為2mm時(shí)，濾波器在10-11GHz頻段內(nèi)具有良好的濾波效果，能夠有效地抑制其他頻段的信號(hào)。3.2.2鐵氧體參數(shù)鐵氧體作為實(shí)現(xiàn)非互易傳輸?shù)年P(guān)鍵材料，其材料特性、尺寸和磁場(chǎng)偏置等參數(shù)對(duì)非互易性能有著至關(guān)重要的影響。鐵氧體的材料特性，如飽和磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率張量、介電常數(shù)等，直接決定了其非互易性能。飽和磁化強(qiáng)度是鐵氧體的重要參數(shù)之一，它反映了鐵氧體在外部磁場(chǎng)作用下能夠達(dá)到的最大磁化程度。較高的飽和磁化強(qiáng)度可以增強(qiáng)鐵氧體的非互易特性，因?yàn)樵谙嗤耐獠看艌?chǎng)下，飽和磁化強(qiáng)度高的鐵氧體能夠產(chǎn)生更大的磁矩，從而對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生更強(qiáng)的影響。磁導(dǎo)率張量描述了鐵氧體在不同方向上對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)特性。在非互易傳輸中，鐵氧體的磁導(dǎo)率張量呈現(xiàn)各向異性，即不同方向上的磁導(dǎo)率不同。這種各向異性是實(shí)現(xiàn)非互易傳輸?shù)年P(guān)鍵，它使得電磁波在不同方向上的傳播特性不同。介電常數(shù)也會(huì)影響鐵氧體與電磁波的相互作用。介電常數(shù)的變化會(huì)改變電磁波在鐵氧體中的傳播速度和相位，進(jìn)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(qiáng)度為1850Gs，諧振線寬為15Oe，相對(duì)介電常數(shù)為15。在基于YIG鐵氧體的非互易傳輸線中，通過調(diào)整外部磁場(chǎng)，可以改變其磁導(dǎo)率張量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波非互易傳輸特性的調(diào)控。鐵氧體的尺寸對(duì)非互易性能也有顯著影響。鐵氧體的長(zhǎng)度會(huì)影響電磁波在其中的傳播路徑和相互作用時(shí)間。較長(zhǎng)的鐵氧體可以增加電磁波與鐵氧體的相互作用，從而增強(qiáng)非互易效果。但是，過長(zhǎng)的鐵氧體也會(huì)增加傳輸損耗，因?yàn)殡姶挪ㄔ趥鞑ミ^程中會(huì)與鐵氧體內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷發(fā)生相互作用，導(dǎo)致能量損耗。鐵氧體的厚度也會(huì)影響非互易性能。較厚的鐵氧體可以提供更強(qiáng)的磁場(chǎng)約束，增強(qiáng)非互易特性，但同時(shí)也會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本。在設(shè)計(jì)基于鐵氧體的非互易移相器時(shí)，需要綜合考慮鐵氧體的尺寸。當(dāng)鐵氧體長(zhǎng)度為10mm，厚度為2mm時(shí)，移相器在8-12GHz頻段內(nèi)具有較好的非互易移相性能，相移量可以達(dá)到90°，同時(shí)傳輸損耗在可接受范圍內(nèi)。磁場(chǎng)偏置是調(diào)控鐵氧體非互易性能的重要手段。通過施加外部磁場(chǎng)，可以改變鐵氧體的磁導(dǎo)率張量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非互易傳輸特性的精確控制。磁場(chǎng)的大小和方向都會(huì)影響非互易性能。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，鐵氧體的磁矩排列更加有序，磁導(dǎo)率張量的各向異性增強(qiáng)，非互易效果更加明顯。磁場(chǎng)的方向也會(huì)影響電磁波與鐵氧體的相互作用。當(dāng)磁場(chǎng)方向與電磁波傳播方向平行時(shí)，與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，電磁波的傳播特性會(huì)有所不同。在基于鐵氧體的非互易耦合器中，通過對(duì)不同位置的鐵氧體施加不同方向和大小的磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向耦合傳輸。對(duì)第一方環(huán)鐵氧體和第三方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相同；對(duì)第二方環(huán)鐵氧體和第四方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相同；而對(duì)第一方環(huán)鐵氧體和第二方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相反；對(duì)第三方環(huán)鐵氧體和第四方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相反，從而實(shí)現(xiàn)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(shù)值模擬與分析4.1.1模擬方法與工具在對(duì)基于人工表面等離激元的非互易傳輸線進(jìn)行性能研究時(shí)，數(shù)值模擬是一種不可或缺的手段。通過數(shù)值模擬，可以深入了解傳輸線內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布、電磁波傳播特性以及各種性能參數(shù)，為傳輸線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力的支持。本研究主要采用有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）和時(shí)域有限差分法（FiniteDifferenceTimeDomain，F(xiàn)DTD）進(jìn)行數(shù)值模擬，并借助專業(yè)的電磁仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。有限元法是一種基于變分原理的數(shù)值計(jì)算方法，它將求解區(qū)域離散化為有限個(gè)單元，通過在每個(gè)單元上對(duì)場(chǎng)方程進(jìn)行近似求解，最終得到整個(gè)求解區(qū)域的數(shù)值解。在有限元法中，首先將連續(xù)的物理模型離散化為由節(jié)點(diǎn)和單元組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。對(duì)于基于人工表面等離激元的非互易傳輸線，需要根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)和材料特性，合理劃分網(wǎng)格。在傳輸線的關(guān)鍵部位，如凹槽結(jié)構(gòu)、鐵氧體與金屬的界面等，需要加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。然后，根據(jù)麥克斯韋方程組和相關(guān)的邊界條件，建立每個(gè)單元的場(chǎng)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(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行相應(yīng)的修正。利用有限元法的數(shù)值計(jì)算方法，求解這些場(chǎng)方程，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)值。通過對(duì)這些數(shù)值結(jié)果的分析，可以得到傳輸線的各種性能參數(shù)，如傳輸系數(shù)、反射系數(shù)、插入損耗、隔離度等。有限元法的優(yōu)點(diǎn)是能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和材料特性，計(jì)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(shí)，有限元法可以準(zhǔn)確地模擬鐵氧體在磁場(chǎng)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(shí)域有限差分法是一種直接在時(shí)域中對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行離散化求解的方法。它的基本思想是用中心差商代替場(chǎng)量對(duì)時(shí)間和空間的一階偏微商，通過在時(shí)域的遞推模擬波的傳播過程，從而得出場(chǎng)分布。在時(shí)域有限差分法中，將求解區(qū)域在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化，形成空間網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)于基于人工表面等離激元的非互易傳輸線，同樣需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。在每個(gè)空間網(wǎng)格點(diǎn)上，根據(jù)麥克斯韋方程組，建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)域遞推公式。在考慮非互易特性時(shí)，需要對(duì)遞推公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，以反映材料的各向異性和時(shí)變特性。通過不斷地在時(shí)間上推進(jìn)，模擬電磁波在傳輸線中的傳播過程，得到不同時(shí)刻的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布。對(duì)這些時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)、反射系數(shù)等。時(shí)域有限差分法的優(yōu)點(diǎn)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(hào)和瞬態(tài)問題。在研究非互易傳輸線對(duì)脈沖信號(hào)的響應(yīng)時(shí)，時(shí)域有限差分法可以清晰地展示脈沖信號(hào)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(shí)現(xiàn)上述數(shù)值模擬方法。COMSOLMultiphysics是一款功能強(qiáng)大的多物理場(chǎng)仿真軟件，它支持有限元法等多種數(shù)值計(jì)算方法，能夠?qū)?fù)雜的電磁問題進(jìn)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(shí)，可以利用COMSOLMultiphysics的RF模塊和波動(dòng)光學(xué)模塊，準(zhǔn)確地設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件和激勵(lì)源，得到傳輸線的各種性能參數(shù)和電磁場(chǎng)分布。FDTDSolutions是一款專門用于時(shí)域有限差分法仿真的軟件，它具有豐富的材料庫(kù)和強(qiáng)大的后處理功能，能夠方便地模擬電磁波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播過程。在使用FDTDSolutions時(shí)，可以通過設(shè)置合適的網(wǎng)格參數(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)和吸收邊界條件，有效地模擬非互易傳輸線的時(shí)域特性。通過這兩款軟件的結(jié)合使用，可以從不同角度對(duì)非互易傳輸線進(jìn)行全面的數(shù)值模擬和分析。4.1.2模擬結(jié)果分析通過數(shù)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(shù)，這些結(jié)果對(duì)于深入理解傳輸線的性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。傳輸特性是衡量非互易傳輸線性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它主要包括傳輸系數(shù)和反射系數(shù)。傳輸系數(shù)表示電磁波在傳輸線中正向傳輸時(shí)的能量傳輸效率，而反射系數(shù)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(shí)，通過改變鐵氧體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以觀察到傳輸系數(shù)和反射系數(shù)的變化。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，鐵氧體的磁導(dǎo)率張量發(fā)生變化，導(dǎo)致電磁波在移相器中的傳播特性改變。在一定范圍內(nèi)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，傳輸系數(shù)逐漸增大，反射系數(shù)逐漸減小，這表明移相器的傳輸性能得到了提升。這是因?yàn)楹线m的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以增強(qiáng)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(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過一定值時(shí)，傳輸系數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)下降，這可能是由于鐵氧體的飽和效應(yīng)或其他非線性因素導(dǎo)致的。隔離度是衡量非互易傳輸線非互易性能的重要參數(shù)，它表示傳輸線對(duì)反向傳輸信號(hào)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(shí)，通過對(duì)不同位置的鐵氧體施加不同方向和大小的磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向耦合傳輸，從而獲得較高的隔離度。對(duì)第一方環(huán)鐵氧體和第三方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相同；對(duì)第二方環(huán)鐵氧體和第四方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相同；而對(duì)第一方環(huán)鐵氧體和第二方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相反；對(duì)第三方環(huán)鐵氧體和第四方環(huán)鐵氧體施加的磁場(chǎng)大小相等，方向相反。這種磁場(chǎng)的施加方式使得耦合器在正向傳輸時(shí)，信號(hào)能夠順利地從輸入端口傳輸?shù)捷敵龆丝?，而在反向傳輸時(shí)，信號(hào)受到很大的衰減，無法傳輸?shù)捷斎攵丝?。模擬結(jié)果顯示，在特定的頻率范圍內(nèi)，該非互易耦合器的隔離度可以達(dá)到20dB以上，有效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的單向傳輸。插入損耗是指信號(hào)在通過傳輸線時(shí)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(hào)質(zhì)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(zhì)損耗以及結(jié)構(gòu)不連續(xù)性引起的反射損耗等。在模擬基于周期性凹槽金屬線結(jié)構(gòu)的非互易傳輸線時(shí)，通過優(yōu)化凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以降低插入損耗。當(dāng)凹槽深度和寬度調(diào)整到合適的值時(shí)，傳輸線的有效電容和電感得到優(yōu)化，從而減少了信號(hào)傳輸過程中的能量損失。此外，通過改善材料的導(dǎo)電性和降低介質(zhì)的損耗角正切，也可以有效地降低插入損耗。模擬結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的非互易傳輸線在工作頻率范圍內(nèi)的插入損耗可以控制在較低水平，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可以進(jìn)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(diǎn)和影響因素。根據(jù)這些分析結(jié)果，可以對(duì)傳輸線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高其傳輸性能、隔離度和降低插入損耗，為實(shí)際應(yīng)用提供更可靠的技術(shù)支持。4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與搭建為了驗(yàn)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(shè)計(jì)并搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括樣品制備、測(cè)試系統(tǒng)搭建等環(huán)節(jié)。在樣品制備方面，基于前文設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)，采用高精度的微加工工藝進(jìn)行制作。以基于鐵氧體的非互易移相器為例，選用介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.001的FR-4介質(zhì)基板作為支撐結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)、微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結(jié)構(gòu)、凹槽深度漸變的過渡結(jié)構(gòu)以及人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)。人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jī)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(yán)格控制各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸精度，確保與設(shè)計(jì)值的偏差在±5μm以內(nèi)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)試系統(tǒng)搭建主要包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)源、天線以及屏蔽箱等設(shè)備。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選用安捷倫公司的N5247A型號(hào)，其頻率范圍為10MHz-67GHz，能夠精確測(cè)量傳輸線的S參數(shù)，包括傳輸系數(shù)（S21）、反射系數(shù)（S11）、隔離度（S31）等。信號(hào)源采用羅德與施瓦茨公司的SMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生頻率范圍為100kHz-67GHz的穩(wěn)定信號(hào)，用于激勵(lì)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(shí)驗(yàn)所需的頻段，用于發(fā)射和接收電磁波。為了減少外界電磁干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)放置在屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱的屏蔽效能在1GHz時(shí)大于100dB。在實(shí)驗(yàn)過程中，將制備好的非互易傳輸線樣品安裝在測(cè)試夾具上，確保樣品與測(cè)試系統(tǒng)的連接良好。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置測(cè)量參數(shù)，包括測(cè)量頻率范圍、掃描點(diǎn)數(shù)等。在本實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量頻率范圍設(shè)置為8-12GHz，掃描點(diǎn)數(shù)為401個(gè)，以保證對(duì)傳輸線性能的全面測(cè)量。將信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)通過天線發(fā)射到非互易傳輸線樣品上，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量傳輸線的S參數(shù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄下來。為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值作為最終的測(cè)量結(jié)果。4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證非互易傳輸線的性能和設(shè)計(jì)的正確性。對(duì)于基于鐵氧體的非互易移相器，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的傳輸系數(shù)（S21）和反射系數(shù)（S11）與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖所示。從圖中可以看出，在8-12GHz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的傳輸系數(shù)與模擬結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致，在中心頻率10GHz處，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的傳輸系數(shù)為-3dB，模擬結(jié)果為-2.8dB，兩者偏差在可接受范圍內(nèi)。反射系數(shù)方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均小于-15dB，與模擬結(jié)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(shí)驗(yàn)測(cè)量的傳輸系數(shù)略低于模擬結(jié)果，這可能是由于實(shí)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(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中的能量損耗增加。在隔離度方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的非互易移相器在正向傳輸和反向傳輸時(shí)的相移量差值與模擬結(jié)果存在一定差異。模擬結(jié)果顯示，在10GHz時(shí)，正向和反向傳輸?shù)南嘁屏坎钪禐?0°，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為85°。這一差異可能是由于實(shí)驗(yàn)中使用的鐵氧體材料的實(shí)際參數(shù)與模擬時(shí)所采用的參數(shù)存在一定偏差，以及制作工藝過程中引入的一些微小結(jié)構(gòu)缺陷，影響了鐵氧體的非互易特性。對(duì)于基于人工表面等離激元的非互易耦合器，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的隔離度和傳輸系數(shù)與模擬結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在9-11GHz的頻率范圍內(nèi)，非互易耦合器的隔離度達(dá)到了18dB以上，與模擬結(jié)果的20dB較為接近，實(shí)現(xiàn)了較好的信號(hào)單向傳輸效果。傳輸系數(shù)方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在中心頻率10GHz處為-4dB，模擬結(jié)果為-3.5dB，兩者偏差較小。但在低頻段（9-9.5GHz），實(shí)驗(yàn)測(cè)量的隔離度略低于模擬結(jié)果，這可能是由于測(cè)試系統(tǒng)中的天線在低頻段的性能略有下降，導(dǎo)致接收信號(hào)的強(qiáng)度減弱，從而影響了隔離度的測(cè)量精度。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)雖然兩者在總體趨勢(shì)上相符，但仍存在一些差異。針對(duì)這些差異，分析其原因主要包括制作工藝誤差、材料參數(shù)偏差以及測(cè)試系統(tǒng)的影響等。為了進(jìn)一步提高非互易傳輸線的性能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在后續(xù)研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化制作工藝，提高結(jié)構(gòu)的加工精度；對(duì)使用的材料進(jìn)行更精確的參數(shù)測(cè)量，確保模擬時(shí)采用的材料參數(shù)與實(shí)際材料一致；同時(shí)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高測(cè)試設(shè)備的性能和測(cè)量精度。五、基于人工表面等離激元的非互易傳輸線應(yīng)用探索5.1在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用5.1.1信號(hào)隔離與濾波在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，信號(hào)隔離與濾波是確保信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于人工表面等離激元的非互易傳輸線在這方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為通信系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的單向傳輸，這一特性對(duì)于信號(hào)隔離至關(guān)重要。在通信系統(tǒng)中，信號(hào)源與負(fù)載之間的相互影響常常導(dǎo)致信號(hào)反射和干擾，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。非互易傳輸線可以有效地阻止反射信號(hào)返回信號(hào)源，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)源與負(fù)載的隔離。以基于鐵氧體的非互易傳輸線為例，在外部磁場(chǎng)的作用下，鐵氧體的磁導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性，使得電磁波在正向和反向傳輸時(shí)具有不同的傳播特性。當(dāng)信號(hào)正向傳輸時(shí)，傳輸線對(duì)信號(hào)的損耗較小，信號(hào)能夠順利通過；而當(dāng)信號(hào)反向傳輸時(shí)，傳輸線對(duì)信號(hào)的損耗急劇增大，信號(hào)幾乎無法通過。這種單向傳輸特性就像一個(gè)“電磁二極管”，能夠有效地隔離信號(hào)源和負(fù)載，保護(hù)信號(hào)源免受反射信號(hào)的干擾。在信號(hào)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(yīng)用價(jià)值。通過合理設(shè)計(jì)傳輸線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)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(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)控。通過調(diào)整周期性凹槽金屬線結(jié)構(gòu)的周期、槽深、線寬等參數(shù)，可以使傳輸線在特定頻率范圍內(nèi)具有高傳輸損耗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該頻率信號(hào)的濾波。在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，可以通過優(yōu)化凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，使傳輸線在通帶內(nèi)具有較低的傳輸損耗，而在阻帶內(nèi)具有較高的傳輸損耗，從而有效地抑制帶外干擾信號(hào)。與傳統(tǒng)的信號(hào)隔離和濾波技術(shù)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(yōu)勢(shì)。它具有小型化的特點(diǎn)。由于人工表面等離激元能夠?qū)㈦姶拍芰扛叨燃性诮饘俦砻娓浇膩啿ㄩL(zhǎng)區(qū)域內(nèi)傳播，使得基于其的非互易傳輸線可以在很小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離和濾波功能。這對(duì)于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中對(duì)設(shè)備小型化、集成化的需求具有重要意義。在移動(dòng)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(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)隔離和濾波。這種傳輸線還具有低損耗的優(yōu)勢(shì)。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，可以降低傳輸線的傳輸損耗，提高信號(hào)的傳輸效率。在長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中，低損耗的傳輸線可以減少信號(hào)的衰減，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量?；谌斯け砻娴入x激元的非互易傳輸線還具有良好的可重構(gòu)性。通過改變外部磁場(chǎng)或結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線非互易特性和濾波特性的動(dòng)態(tài)調(diào)整，滿足不同通信場(chǎng)景的需求。在多頻段通信系統(tǒng)中，可以通過調(diào)整傳輸線的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段信號(hào)的隔離和濾波。5.1.2相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)作為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的重要發(fā)展方向，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用?；谌斯け砻娴入x激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用，為相控陣?yán)走_(dá)性能的提升帶來了新的機(jī)遇。在相控陣?yán)走_(dá)中，移相器是實(shí)現(xiàn)波束掃描的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)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?yán)走_(dá)的性能進(jìn)一步提升?；谌斯け砻娴入x激元傳輸線的非互易鐵氧體移相器具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)束縛傳輸特性與鐵氧體的非互易特性相結(jié)合。人工表面等離激元傳輸線能夠?qū)㈦姶拍芰扛叨燃性诮饘俦砻娓浇鼈鞑ィ瑢?shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺度下的信號(hào)傳輸，大大減小了移相器的尺寸。鐵氧體在外部磁場(chǎng)的作用下呈現(xiàn)出各向異性的磁導(dǎo)率，使得微波信號(hào)在不同方向上的傳播特性不同，從而實(shí)現(xiàn)了非互易的移相功能。在實(shí)際應(yīng)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(duì)相控陣?yán)走_(dá)性能的提升主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。它提高了相控陣?yán)走_(dá)的波束掃描速度。由于該移相器能夠?qū)崿F(xiàn)快速的相移變化，使得相控陣?yán)走_(dá)可以在短時(shí)間內(nèi)完成波束的掃描，提高了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和搜索能力。在對(duì)高速移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，快速的波束掃描速度可以確保雷達(dá)能夠及時(shí)捕捉到目標(biāo)的位置變化。該移相器提高了相控陣?yán)走_(dá)的相移精度。通過精確控制鐵氧體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相移量的精確控制，從而提高了雷達(dá)波束的指向精度。在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位時(shí)，高精度的相移可以確保雷達(dá)波束準(zhǔn)確地指向目標(biāo)，提高了雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)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?yán)走_(dá)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(yōu)化設(shè)計(jì)，使得信號(hào)在傳輸和相移過程中的能量損失減小，提高了雷達(dá)的發(fā)射功率利用率和接收靈敏度。在遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)中，低傳輸損耗可以確保雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)能夠有效地到達(dá)目標(biāo)，并接收目標(biāo)反射回來的微弱信號(hào)。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?yán)走_(dá)中的應(yīng)用，有效地提高了相控陣?yán)走_(dá)的性能，為相控陣?yán)走_(dá)在軍事和民用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的支持。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信這種移相器將在相控陣?yán)走_(dá)中得到更廣泛的應(yīng)用。5.2在集成電路中的應(yīng)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。隨著集成電路集成度的不斷提高，芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速率也在不斷增加，這對(duì)芯片間通信的信號(hào)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(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在芯片間通信中，信號(hào)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(hào)、相鄰傳輸線之間的串?dāng)_等。這些干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，降低通信質(zhì)量，甚至導(dǎo)致通信失敗?；谌斯け砻娴入x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(hào)和串?dāng)_信號(hào)的傳播，從而提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诙嘈酒K中，多個(gè)芯片通過傳輸線相互連接。如果使用傳統(tǒng)的傳輸線，當(dāng)一個(gè)芯片向另一個(gè)芯片發(fā)送信號(hào)時(shí)，由于傳輸線的阻抗不匹配等原因，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)。這些反射信號(hào)會(huì)沿著傳輸線返回發(fā)送芯片，干擾后續(xù)的信號(hào)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(hào)無法反向傳輸，被有效地隔離，從而保證了信號(hào)的穩(wěn)定傳輸?；谌斯け砻娴入x激元的非互易傳輸線還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和材料特性使得它對(duì)外部電磁干擾具有一定的屏蔽作用。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，傳統(tǒng)的傳輸線容易受到外部電磁干擾的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸質(zhì)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(chǎng)束縛特性，能夠?qū)㈦姶拍芰扛叨燃性诮饘俦砻娓浇膩啿ㄩL(zhǎng)區(qū)域內(nèi)傳播，減少了外部電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響。在射頻集成電路中，周圍的射頻信號(hào)容易對(duì)芯片間的通信產(chǎn)生干擾?；谌斯け砻娴入x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(jìn)行。非互易傳輸線的應(yīng)用還可以提高芯片間通信的速度。由于其能夠減少信號(hào)的反射和干擾，使得信號(hào)能夠更加快速地傳輸。在高速數(shù)據(jù)傳輸中，信號(hào)的傳輸速度直接影響到系統(tǒng)的性能?；谌斯け砻娴入x激元的非互易傳輸線可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足現(xiàn)代集成電路對(duì)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(hào)的傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?.2.2信號(hào)處理電路在信號(hào)處理電路中，基于人工表面等離激元的非互易傳輸線能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的單向傳輸和調(diào)制，為信號(hào)處理提供了新的思路和方法。信號(hào)的單向傳輸在信號(hào)處理電路中具有重要意義。在許多信號(hào)處理系統(tǒng)中，需要保證信號(hào)按照特定的方向傳輸，避免信號(hào)的反向傳播導(dǎo)致的干擾和錯(cuò)誤?；谌斯け砻娴入x激元的非互易傳輸線可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳輸，就像電路中的二極管一樣，只允許信號(hào)在一個(gè)方向上通過。在放大器電路中，為了防止輸出信號(hào)反饋到輸入端，影響放大器的穩(wěn)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(hào)。當(dāng)放大器輸出信號(hào)時(shí)，非互易傳輸線允許信號(hào)順利傳輸?shù)截?fù)載端，而當(dāng)負(fù)載端產(chǎn)生反射信號(hào)時(shí)，非互易傳輸線能夠阻止反射信號(hào)返回放大器輸入端，從而保證了放大器的正常工作。在信號(hào)調(diào)制方面，基于人工表面等離激元的非互易傳輸線也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過改變傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)或施加外部激勵(lì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)制。在射頻信號(hào)處理中，常常需要對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制?；谌斯け砻娴入x激元的非互易傳輸線可以通過改變其色散特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的相位調(diào)制。通過調(diào)整傳輸線的凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變?nèi)斯け砻娴入x激元的傳播常數(shù)，從而改變信號(hào)在傳輸過程中的相位。在相移鍵控（PSK）調(diào)制中，利用非互易傳輸線的相位調(diào)制特性，可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同相位的射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。非互易傳輸線還可以與其他信號(hào)處理元件相結(jié)合，構(gòu)建更加復(fù)雜的信號(hào)處理電路。與濾波器結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)的選擇和傳輸。在通信系統(tǒng)中，需要從復(fù)雜的信號(hào)中提取出有用的信號(hào)，去除干擾信號(hào)。通過將非互易傳輸線與濾波器集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)的單向傳輸和濾波。只有特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能夠通過非互易傳輸線和濾波器，而其他頻率的信號(hào)則被抑制，從而提高了信號(hào)的質(zhì)量和通信系統(tǒng)的性能。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能特點(diǎn)以及在通信和集成電路等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，取得了一系列具有重要理論和實(shí)際意義的研究成果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，提出了基于鐵氧體的非互易移相器結(jié)構(gòu)和非互易耦合器結(jié)構(gòu)等典型設(shè)計(jì)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(jié)合，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括上層金屬覆銅層和下層金屬覆銅層的不同結(jié)構(gòu)布局以及鐵氧體塊的放置方式，實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)前向與后向輸入時(shí)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(jié)構(gòu)、微帶線/人工表面等離激元傳輸線耦合結(jié)構(gòu)、凹槽深度漸變的過渡結(jié)構(gòu)以及人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)，下層金屬覆銅層的人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)的凹槽開口方向與上層相反，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅解決了傳統(tǒng)鐵氧體移相器尺寸大、難以集成的問題，還實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)束縛傳輸，大大提高了集成度。非互易耦合器則通過精心設(shè)計(jì)的四個(gè)金屬地平面、四個(gè)方環(huán)鐵氧體和兩個(gè)內(nèi)部人工表面等離激元波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電磁信號(hào)的定向傳輸。四個(gè)方環(huán)鐵氧體在不同方向和大小的磁場(chǎng)作用下，與人工表面等離激元波導(dǎo)相互配合，使得耦合器在正向傳輸時(shí)信號(hào)能夠順利傳輸，而反向傳輸時(shí)信號(hào)受到很大衰減，有效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的單向傳輸。在結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響研究中，深入分析了凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)和鐵氧體參數(shù)的作用。凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，凹槽深度、寬度和周期的變化會(huì)顯著影響傳輸線的傳輸性能。凹槽深度增加會(huì)使傳輸線的有效電容增大，特性阻抗減小，從而導(dǎo)致傳輸損耗增加，同時(shí)色散曲線也會(huì)發(fā)生變化，影響工作帶寬；凹槽寬度改變會(huì)影響電感特性，進(jìn)而影響特性阻抗和信號(hào)傳輸效率，還會(huì)改變場(chǎng)分布；凹槽周期與人工表面等離激元的激發(fā)和傳播密切相關(guān)，合適的凹槽周期可以實(shí)現(xiàn)共振激發(fā)，同時(shí)對(duì)色散特性和傳輸帶寬也有重要影響。鐵氧體參數(shù)方面，鐵氧體的材料特性，如飽和磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率張量、介電常數(shù)等，直接決定了其非互易性能；鐵氧體的尺寸，包括長(zhǎng)度和厚度，會(huì)影響電磁波與鐵氧體的相互作用時(shí)間和磁場(chǎng)約束能力，從而影響非互易性能；磁場(chǎng)偏置則是調(diào)控鐵氧體非互易性能的重要手段，通過改變磁場(chǎng)的大小和方向，可以精確控制鐵氧體的磁導(dǎo)率張量，實(shí)現(xiàn)對(duì)非互易傳輸特性的調(diào)控。在性能研究方面，通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，全面評(píng)估了基于人工表面等離激元的非互易傳輸線的性能。在數(shù)值模擬中，采用有限元法和時(shí)域有限差分法，借助COMSOLMultiphysics和FDTDSolutions等電磁仿真軟件，對(duì)傳輸線的傳輸特性、隔離度、插入損耗等性能參數(shù)進(jìn)行了深入分析。模擬結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以有效調(diào)控傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，提高移相器的傳輸性能；在非互易耦合器中，通過對(duì)不同位置的鐵氧體施加不同方向和大小的磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)20dB以上的隔離度，有效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的單向傳輸。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)制備的非互易傳輸線樣品進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在總體趨勢(shì)上相符，驗(yàn)證了傳輸線的性能和設(shè)計(jì)的正確性。但也發(fā)現(xiàn)由于制作工藝誤差、材料參數(shù)偏差以及測(cè)試系統(tǒng)的影響等因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果存在一定差異。在應(yīng)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(tǒng)和集成電路中的應(yīng)用。在通信系統(tǒng)中，其在信號(hào)隔離與濾波以及相控陣?yán)走_(dá)中展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值。在信號(hào)隔離與濾波方面，