高寶線研究進展

韋鵬 郭旭光 朱亦鳴

摘要：

高寶線是一種涂覆介質(zhì)的單金屬傳輸線，主要應用于高頻電磁波的傳輸與傳感領域。結(jié)合超材料技術制作出的平面高寶線能夠在微波與太赫茲波頻段高效激發(fā)偽表面等離子體激元，具有高效傳輸與高靈敏傳感特性。介紹了近些年來國內(nèi)外高寶線的研究進展，綜合概述其主要結(jié)構(gòu)的設計方法，分析其測試與仿真結(jié)果，并且簡要介紹了高寶線的未來發(fā)展趨勢以及潛在應用。

關鍵詞：

高寶線； 傳感器件； 傳輸效率； 表面等離子體激元

中圖分類號： O 441文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.016

Abstract：

Goubau line is composed of a single wire coated with dielectric materials which is used as sensor and transmission line for high frequency. Planar Goubau lines made by metamaterial technology could excite spoof surface plasmon polaritions effectively in microwave and terahertz regions which have potential applications on high effective onchip transmission of microwave and terahertz radiations and highperformance sensors. In this review paper we introducethe research progress of Goubau lines in recent years，summarize the design methodologies，analyze the measurement and simulation results，and finally describe the development trend and potential applications of the planar Goubau lines.

Keywords：

Goubau line； sensor； transmission efficiency； spoof surface polaritons

引言

高寶線（Goubau line）是由Sommerfeld[1]首次提出，Goubau[2]最終經(jīng)實驗設計出的一種應用于高頻電磁波的傳輸線，其典型結(jié)構(gòu)是在單根導體表面涂覆介質(zhì)材料，電磁波以表面波的形式在導體表面高效傳播。同時由于在高寶線上傳導的電磁波依附在導體表面區(qū)域，可提高電磁波與物質(zhì)的相互作用面，因此高寶線可用于高靈敏傳感[3]。相較其他種類的傳輸線，高寶線的一個顯著優(yōu)點在于其在高頻部分有更低的介質(zhì)損耗，這能夠解決雙平行線和同軸電纜在高頻部分損耗過大的問題。此外，高寶線更像是一種波導，而不是應用于電路中的傳輸線路。相比于空間電磁波，高寶線上傳輸?shù)碾姶挪ㄈ核俣纫?，這會導致波前輕微彎曲并指向高寶線的中心導體，這會讓電磁波依附在介質(zhì)表面，因此高寶線激發(fā)的表面波具有局域性[4]。這種表面局域性讓它具有高效的傳感性能，因此在超分辨成像[5]、電磁誘導透明[67]和生物檢測[7]等領域具有廣闊的應用前景。由于它是單線傳輸器件，便于與其他發(fā)射與探測器件連接，所以相較于微帶線與帶狀線，它在集成能力方面具有顯著的優(yōu)勢。

高寶線的傳輸效率與傳感效率是其實現(xiàn)廣泛應用的關鍵。傳感效率決定于高寶線上表面波的局域性。局域性越強，傳感靈敏度越高。但是增強表面局域性會使高寶線的端口阻抗增大，與雙線傳輸常用的50 Ω端口阻抗產(chǎn)生阻抗失配問題。因此，如何在不影響傳輸效率的前提下，增強高寶線上表面波的局域性是一個非常重要的問題。常用的方法是使用一個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，例如最簡單的辦法是采用λ/4階梯式阻抗變換器[8]，配合使用并聯(lián)補償短路線來消抗，但是這種方法只能補償單頻點的阻抗失配問題。更普遍的辦法是采用錐狀漸變線[3]，通過對不同頻率在錐狀漸變線的不同部位產(chǎn)生的阻抗變換，來進行寬頻傳輸。但是傳統(tǒng)的做法無法提高表面波的傳感效率，必須借助其他方法在不影響其傳輸效率的情況下提高其傳感性能。

本文結(jié)合最近十多年國內(nèi)外高寶線的研究進展，綜合概述其主要結(jié)構(gòu)設計要點，分析其測試與仿真結(jié)果，重點分析了高寶線研究中的三個重要設計方法。

1高寶線研究進展

1.1高寶線平面化

誕生于20世紀50年代的高寶線，由于缺乏有效的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其應用受到嚴重限制。要將高寶線集成化，首先要將高寶線平面化。2005年，Treizebré等[9]提出的平面高寶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高寶線的平面化。如圖1（a）所示，平面高寶線結(jié)構(gòu)整體劃分為三個部分：I部分是為了能與同軸電纜端接，共面波導端口設計為50 Ω；II部分是轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，采用漸開地平面，將共面波導傳輸?shù)臏蔜EM（橫電磁波）模式轉(zhuǎn)換為高寶模式；III部分是高寶線傳輸模式，主要支持高寶模式的傳輸。

平面高寶線傳輸特性測試結(jié)果如圖1（b）所示，在140～220 GHz的范圍內(nèi)，有-10～-5 dB的透過率，而且隨著頻率的上升，介質(zhì)損耗的增加會導致透過率緩慢線性降低。同時反射回端口的能量S11在很大的范圍內(nèi)低于-10 dB，大約只有10%的能量反射回入射端。從仿真與實驗結(jié)果也可以看出，兩者是能夠相符的。

可以看出平面高寶線結(jié)構(gòu)能較好地實現(xiàn)高寶模式的傳輸，但是我們通過透過能量S21可以看出，該結(jié)構(gòu)的能量傳輸效率只有約32%，其傳輸效率太低，但是其提出的平面高寶線結(jié)構(gòu)為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎。

1.2槽型高寶線結(jié)構(gòu)增強表面波表面局域性

平面高寶線的平面構(gòu)型得益于微電子加工技術，雖然各種精細結(jié)構(gòu)能夠被方便地制造出來，但是其傳感精度的提高一直受到制約。要提高其傳感精度，必須提高其表面局域性。借助超材料技術，在高寶模式的基礎上激發(fā)出偽表面等離子體激元[10]，從而增強傳輸電磁場的表面局域性。

超材料技術能夠在微波、太赫茲等低于可見光與近紅外電磁波頻段激發(fā)出表面等離子體激元[11]。借助超材料技術實現(xiàn)的表面等離子體激元稱之為偽表面等離子體激元。常用的超材料在其金屬表面刻蝕有周期性、亞波長尺度的孔洞[12]。2012年Laurette等[13]提出了如圖2（a）所示的槽型高寶線結(jié)構(gòu)，其傳輸特性的測試結(jié)果如圖2（b）所示。在低頻段，槽型高寶線與平面高寶線無太大區(qū)別，因為此時襯底輻射模很小，電磁波被很好地依附在金屬表面；在高頻段，槽型高寶線的透過率要高于平面高寶線，這是由于槽型高寶線能夠抑制平面高寶線的襯底輻射模，輻射能量損失減小，如圖2（c）所示，由圖可知，隨著中心線深R的增加，襯底輻射模的抑制效果增強，間接地說明了其表面局域性增強。

從圖2（b）中可以看出，不論是平面高寶線還是槽型高寶線，在主要傳輸頻段依舊還是只有-5 dB的能量能夠透過，不能實現(xiàn)高效傳輸，而且還存在嚴重的阻抗失配問題。

1.3轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

槽型高寶線的提出為高寶線的優(yōu)化設計提供了新的思路。整體結(jié)構(gòu)的設計主要分為三個部分：共面波導端口、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和高寶線主體傳輸結(jié)構(gòu)。從Treizebré等[9]的測試結(jié)果可以知道大約有10%的能量反射回入射端口，這是由于高寶線與共面波導的阻抗失配所導致，阻抗失配的另一種表現(xiàn)形式是波矢的失配問題。若能夠解決這一問題，高寶線結(jié)構(gòu)的傳輸特性會有很大的改善，而且不會影響槽型高寶線固有的傳感效率。

2014年Ma等[14]提出，在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中采用信號線上兩端開槽且槽深線性漸變的結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示，該結(jié)構(gòu)具有寬頻匹配的特點[15]。在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，漸變槽深被用來消除共面波導與槽型高寶線的波矢失配問題，不同槽型的傳輸色散曲線可表示為

式中：k0為自由空間波矢；kx為沿傳播方向（x軸）的波矢；a為槽寬；p為單元結(jié)構(gòu)的長度；h為設計的槽深。

圖3（a）為漸變槽結(jié)構(gòu)，這種匹配結(jié)構(gòu)的設計思想是應用漸變槽深來削弱波矢失配引起的反射。圖3（b）為不同槽深的色散曲線，對于同一頻點，槽越深，波矢越大，也就表示槽中激發(fā)出的偽表面等離子體傳播得越慢，局域于金屬表面能力越強。在擁有漸變槽深的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)情況下，槽與槽之間波矢失配的程度遠遠小于沒有漸變槽深的情況。由圖3（c）可知，匹配的情況下，在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)區(qū)間內(nèi)，波矢是逐漸增大的，在沒有匹配的情況下，波矢在共面波導（CPW）與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的端接處波矢瞬間跳變。

有漸變與無漸變的槽型高寶線S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4（a）所示，若轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中漸變槽深過渡區(qū)不存在，我們可以發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的反射高于-3 dB，這意味著超過50%的能量被反射；若存在漸變槽深，在6～12 GHz，表征反射回端口的能量參數(shù)S11低于-10 dB，表征透過整個結(jié)構(gòu)的能量參數(shù)S21高于-0.6 dB，整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的透過率。高寶線S參數(shù)的測試結(jié)果如圖4（b），4（c）所示，與仿真的S參數(shù)結(jié)果一致。仿真與測試結(jié)果都表明，槽型高寶線的截止頻率均為12.38 GHz，與圖3（b）色散曲線分析的結(jié)果相符。

2高寶線的實際應用

自平面高寶線提出以來，一系列基于該結(jié)構(gòu)的無源器件逐步出現(xiàn)，高寶線的單線傳輸特點不僅解決了阻抗失配問題，而且具有很廣闊的應用前景。2010年，Treizebre等[16]制作出超高頻高寶線諧振腔。長期以來因為超高頻諧振腔結(jié)構(gòu)的尺寸必須低于100 μm，在微帶線或帶狀線中難以集成，因此高分辨率的超高頻諧振腔一直受到研究者的關注。此外，此類諧振腔要具備高頻率和高空間分辨率的響應，減小諧振腔的尺寸是關鍵，因此在傳統(tǒng)雙線傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)上更難以實現(xiàn)。而高寶線結(jié)合平面螺旋開口諧振環(huán)，能夠很方便地設計和制備出具有高分辨率的集成傳輸傳感結(jié)構(gòu)。

2013年，Duponchel等[17]研發(fā)出應用于太赫茲頻段基于平面高寶線微流體檢測系統(tǒng)。太赫茲波譜系

統(tǒng)是一種能進行實時生物分析的有效工具，但是由于水在太赫茲頻段具有強烈的吸收，在該波段與水有關的生物特性研究必須遵守微量的原則，因此利用傳統(tǒng)的太赫茲波譜系統(tǒng)對水溶液進行研究就十分困難。而平面高寶線技術與微流控、網(wǎng)絡分析儀技術結(jié)合的方案能夠很好地解決這個問題。

3結(jié)論

由于高寶線具有單線傳輸、能夠傳輸表面波和便于與其他平面器件結(jié)合的特性，其在傳輸傳感器件的研究領域一直備受關注。本文介紹了近十幾年來高寶線的研究情況，著重概述對高寶線實際應用起到跨越性作用的三個重要研究成果，三個成果分別為平面化高寶線，槽型高寶線和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中漸變槽深設計。分析其設計思想、仿真與測試結(jié)果，從理論和實驗兩個方面分析各個成果的促進作用。應用上述三個成果的設計思想能夠設計出高效傳輸、傳感的高寶線。可以預見，高寶線必將在微波與太赫茲等波段集成化設備中得到廣泛的應用，高寶線也正朝著更輕便，更易于集成，更高效傳輸，更靈敏的傳感效率的方向發(fā)展。在不久的將來，能夠?qū)⑹┑认冗M的納米技術應用于高寶線，伴隨而來的是全新的思路以及結(jié)構(gòu)更復雜、性能更優(yōu)異、集成度更高的毫米波傳輸傳感器件。更重要的是，伴隨著漏波天線等天線技術的發(fā)展，該類易于與天線結(jié)構(gòu)對接的平面高寶線結(jié)構(gòu)具有很大的集成優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]SOMMERFELD A. Ueber die fortpflanzung elektrodynamischer wellen lngs eines drahtes[J]. Annalen der Physik 1899 303（2）： 233290.

[2]GOUBAU G. Surface waves and their application to transmission lines[J]. Journal of Applied Physics 1950 21（11）： 11191128.

[3]GAZIT E. Improved design of the Vivaldi antenna[J].Microwaves Antennas and Propagation，1988 135（2）： 8992.

[4]AKALIN T TREIZEBR A BOCQUET B. High resolution biosensor based on surface wave transmission lines at THz frequencies[C]∥2005 European Microwave Conference Paris：IEEE 2005 2： 4.

[5]LU D LIU Z. Hyperlenses and metalenses for farfield superresolution imaging[J]. Nature Communications 2012 3： 1025.

[6]HAN Z H BOZHEVOLNYI S I. Plasmoninduced transparency with detuned ultracompact FabryPerot resonators in integrated plasmonic devices[J]. Optics Express 2011 19（4）： 32513257.

[7]CHEN L GAO C XU J et al. Observation of electromagnetically induced transparencylike transmission in terahertz asymmetric waveguidecavities systems[J]. Optics Letters 2013 38（9）： 13791381.

[8]陳開周 趙希明 王定 等. 微波寬帶階梯阻抗變換器的優(yōu)化設計[J]. 西北電訊工程學院學報 1982（2）： 2229.

[9]TREIZEBR A， AKALIN T BOCQUET B. Planar excitation of Goubau transmission lines for THz bioMEMS[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005 15（12）： 886888.

[10]ZHANG J， CAI L K BAI W L et al. Slow light at terahertz frequencies in surface plasmon polariton assisted grating waveguide[J]. Journal of Applied Physics 2009 106（10）： 103715.

[11]HIBBINS A P， EVANS B R SAMBLES J R. Experimental verification of designer surface plasmons[J]. Science 2005 308（5722）： 670672.

[12]MARTNCANO D NESTEROV M L FERNANDEZDOMINGUEZ A I et al. Plasmons for subwavelength terahertz circuitry[J]. Optics Express 2010 18（2）： 754764.

[13]LAURETTE S TREIZEBRE A BOCQUET B. Corrugated Goubau lines to slow down and confine THz waves[J].IEEE Transaction on Terahertz Science and Technology 2012 2（3）： 340344.

[14]MA H F， SHEN X CHENG Q et al. Broadband and highefficiency conversion from guided waves to spoof surface Plasmon polaritons[J]. Laser & Photonics Reviews 2014 8（1）： 146151.

[15]CHIO T H， SCHAUBERT D H. Parameter study and design of wideband widescan dualpolarized tapered slot antenna arrays[J].IEEE Transaction on Antennas and Propagation 2000 48（6）： 879886.

[16]Treizebre A Hofman M Bocquet B. Terahertz spiral planar Goubau line rejectors for biological characterization[J]. Progress in Electromagnetics Research M 2010 14： 163176.

[17]DUPONCHEL L， LAURETTE S HATIRNAZ B et al. Terahertz microfluidic sensor for in situ exploration of hydration shell of molecules[J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 2013 123： 2835.

（編輯：劉鐵英）