CN104007141B - 一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波/毫米波检测技术领域，具体涉及一种零折射率超材料耦合微波/毫米波回音壁模的传感器。在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。本发明提供一种可使回音壁模传感器的耦合效果、灵敏度得到提高，并可实现在线、实时、自动连续检测的传感装置。

Description

一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器

技术领域

本发明属于微波/毫米波检测技术领域，具体涉及一种零折射率超材料耦合微波/毫米波回音壁模的传感器。

背景技术

回音壁模(WGM，WhisperingGalleryMode)是产生于高介质常数(相对于背景媒质)的某种闭合形状的介质中的谐振模式，其内电磁场的分布形式依赖于具体形状，常用的有圆盘、圆环、介质球等。当波在环状介质中传播时，经过在内表面两侧发生多次全反射形成回音壁模式。回音壁模属于环形结构介质谐振器的高阶角向模，在谐振状态下大部分电磁能束缚在环状区域内。基于回音壁模的介质谐振器具有体积小、Q值高、成本低等优点，在激光技术、光信息处理、波分复用、滤波、调制和传感等方面有着广泛应用。

回音壁模传感器是基于产生回音壁模的介质环谐振器的谐振频率或Q值与其几何尺寸、材料及背景媒质参数的依存关系，当附着在其表面的待测物质对谐振器的谐振频率和Q值发生改变，通过测量谐振频率或Q值可以反演被测物质的电磁特性。

采用介质波导耦合方式的回音壁模传感器技术比较成熟。例如，AidinTaeb等(AidinTaeb,MohammadNeshat,SurenGigoyanaandSafieddinSafavi-Naeini.Alow-costmillimeter-wavewhisperinggallery-mode-basedsensor:designconsiderationsandaccurateanalysis[J].InternationalJournalofMicrowaveandWirelessTechnologies,2012,4(3):341-348.)用介质波导将电磁波耦合进入介质盘构成的回音壁模谐振器实现了在毫米波段的生物传感。这类传统的回音壁模传感器的耦合方式是通过介质波导的倏势场渗透到介质环，从而激励环内产生回音壁模，耦合效率受距离等的影响；随着频率的增大，向外的辐射也增大，Q值相应减小，引起灵敏度的减小。因此，改进耦合方式，提高耦合效率仍然是实现高性能回音壁模传感器的途径之一。

零折射率超材料是本世纪初提出的一种新型人工电磁材料[崔万照.电磁超介质及其应用[M].国防工业出版社,2008.1.]，它具有奇特的电磁特性，电磁波通过该种媒质时空间相位几乎不变，电磁场可视为准静态场，在该种材料中加载其它异质结构可以改变电磁波的传输系数。目前，实验上可以制备出微波频率范围内的各向异性零折射率材料[HuiFengMa,JinHuiShi,WeiXiangJiang,andTieJunCui.Experimentalrealizationofbendingwaveguideusinganisotropiczeroindexmaterialss[J].Appl.Phys.Lett.,101,253513(2012)]；而理论上可以通过将两个相互垂直方向上的各向异性的零折射率材料叠加等效为各向同性的零折射率材料，从而克服了制备上的困难[KuangZhang,JiahuiFu,Li-YiXiao,QunWu,andLe-WeiLi.Totaltransmissionandtotalreflectionofelectromagneticwavesbyanisotropicepsilon-near-zerometamaterialsembeddedwithdielectricdefectss[J].J.Appl.Phys.113,084908(2013)]。JieLuo等[JieLuo,etc..ManipulatetheTransmissionsUsingIndex-Near-ZeroorEpsilon-Near-ZeroMetamaterialswithCoatedDefects[J].Plasmonics,June2012,7:353-358.]通过零折射率超材料中加载介质环缺陷实现了波导的全反射和全透射，为设计本发明提供了思路。但关于零折射率超材料中植入产生回音壁模的介质环方面的研究及其在传感技术中的应用，国内外有关文献均未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种可使回音壁模传感器的耦合效果、灵敏度得到提高，并可实现在线、实时、自动连续检测的传感装置。

本发明所采用的技术方案是：一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。

作为一种优选方式：介质环的形状为圆柱形、椭圆柱形或跑道状结构，周长约为入射波波长的数倍到数十倍。

作为一种优选方式：零折射率超材料为介电常数和磁导率都接近零的阻抗匹配媒质或只有介电常数为零或只有磁导率为零或电磁参数张量中主对角线元素部分为零的各向异性材料。

作为一种优选方式：物料入口为环形敞口型喇叭状，物料出口为环形收缩喇叭状。

作为一种优选方式：信号馈入端口和输出端口通过波导探针进行耦合、接收。

本发明的有益效果是：本发明利用零折射率超材料具有零传播常数及极限相速，从而其内的电磁场在空间呈准静态分布，嵌入其中的回音壁环可以接受来自各个方位的波的耦合，因此可以极大地提高耦合效率；同时，当介质环达到完全谐振时，环外侧几乎不存在倏逝波，环内的倏逝波得到增强，从而可以提高对环内放置的待测物检测的敏感度。

附图说明

图1是本发明主视图示意图；

图2是本发明的俯视图示意图；

图3是实施例1介质环发生谐振时回音壁模场及对应的场值曲线；

图4是实施例1环内填充不同介质时的透射谱；

图5是本发明的耦合效果与传统介质波导耦合效果比较示意图；

图6是实施例2介质环发生谐振时回音壁模场及对应的场值曲线；

图7是实施例2环内填充不同介质时的透射谱。

其中，1、金属平面波导，2、零折射率材料，3、介质环，4、物料入口，5、物料出口，6、馈入端口，7、输出端口。

具体实施方式

本发明提出的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其具体结构为：一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导(1)；波导内填充零折射率超材料：由F4B印刷电路板为基底、上面渡有铜金属膜的开口谐振环(SRR)周期结构构成(2)；其内植入高介电常数(相对介电常数取4-8)的介质圆环(3)；上侧物料入口(4)、下侧物料出口(5)；在零材料两端分别与空气层平板金属波导连接构成波导端口激励、接收装置(6)、(7)，如图1、图2所示。其中，上、下极板为完美电导体(PEC,PerfectElectricConductor)，填充着空气的区域1、区域3被区域2分开。零折射率超材料(ε₃,μ₃)中放置中心含绝缘介质(ε₁,μ₁)的介质环(ε₂,μ₂)构成区域2，圆环的内、外半径分别为a、b；

实例一：

图2中，上、下极板为完美电导体(PEC,PerfectElectricConductor)，填充着空气的区域1、区域3被区域2分开。零折射率超材料(ε₃,μ₃)中放置中心含绝缘介质(ε₁,μ₁)的介质环(ε₂,μ₂)构成区域2，圆环的内、外半径分别为a、b；

结构中选用紫铜为波导极板，在微波波段可近似地认为是完美电导体，相应的传播模式为TM模，波导尺寸取为120mm×45mm，a＝12mm，b＝15mm，ε_1r＝1.5，ε_2r＝5，μ_1r＝μ_2r＝1，ε_3r＝μ_3r＝0.001。根据文献[Yeh,C.,Shimabukuro,F.TheEssenceofDielectricWaveguides[M].Springer:NewYork,NY,USA,2008]，谐振(特征)频率的理论计算式为

$\left|\begin{array}{cccc}{J}_m\left(k_{1}a\right)& -J_m\left(k_{2}a\right)& -Y_m\left(k_{2}a\right)& 0\\ k_1{J}_m^{\′}\left(k_{1}a\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{r1}& -k_2{J}_m^{\′}\left(k_{2}a\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{r2}& -k_2{Y}_m^{\′}\left(k_{2}a\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{r2}& 0\\ 0& J_m\left(k_{2}b\right)& Y_m\left(k_{2}b\right)& -H_m^{\left(1\right)}\left(k_{3}b\right)\\ 0& k_2{J}_m^{\′}\left(k_{2}b\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{r2}& k_2{Y}_m^{\′}\left(k_{2}b\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{r2}& -k_3{H}_m^{{\left(1\right)}^{\′}}\left(k_{3}b\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{r3}\end{array}\right|=0$

其中，为相应区域的波数，c为真空中的光速。用MATLAB对环内谐振频率进行数值计算，可以求得WGM模式数为m＝15时谐振频率为31.14GHz；用COMSOLMultiphysics进行仿真，相应的仿真场图如图3所示。可以看到，在环内发生完全谐振时波导端口出现全反射；图4模拟了环内填充不同待测物时的透射谱。图中横坐标为入射波的频率，纵坐标为透射系数。区域2中介质环所包含介质的介电常数ε_r1变化范围取为1.50-1.58。可以看到谐振频率随着ε_r1的增大而减小，平均谐振频率偏移约为0.1GHz。于是，可以通过测量反射系数的峰值得到相应待测物的电磁参数，从而确定待测物的具体类别。

实例二：如果选用人工导磁体取代图2中电导体，对应的传播模式为TE模。特征频率的理论计算式为

$\left|\begin{array}{cccc}{J}_m\left(k_{1}a\right)& -J_m\left(k_{2}a\right)& -Y_m\left(k_{2}a\right)& 0\\ k_1{J}_m^{\′}\left(k_{1}a\right)/{\mathrm{\μ}}_{r1}& -k_2{J}_m^{\′}\left(k_{2}a\right)/{\mathrm{\μ}}_{r2}& -k_2{Y}_m^{\′}\left(k_{2}a\right)/{\mathrm{\μ}}_{r2}& 0\\ 0& J_m\left(k_{2b}\right)& Y_m\left(k_{2}b\right)& -H_m^{\left(1\right)}\left(k_{3}b\right)\\ 0& k_2{J}_m^{\′}\left(k_{2}b\right)/{\mathrm{\μ}}_{r2}& k_2{Y}_m^{\′}\left(k_{2}b\right)/{\mathrm{\μ}}_{r2}& -k_3{H}_m^{{\left(1\right)}^{\′}}\left(k_{3}b\right)/{\mathrm{\μ}}_{r3}\end{array}\right|=0$

选取同上的尺寸和参数，用MATLAB对环内谐振频率进行数值计算，可以求得WGM模式数为m＝15时谐振频率27.593GHz，用COMSOLMultiphysics进行仿真得到的电场分布及其对应的场值曲线，如图6所示，即为全反射；以及环内填充几种不同介质其介电常数ε_r1变化范围为1.50-1.58时的透射谱，如图7所示。

为了证明本发明中采用的零折射率超材料耦合回音壁模的耦合效果，图5给出了本发明耦合回音壁TE模的仿真图与传统的矩形波导耦合回音壁TE模的仿真图，其中，后者的圆环的结构尺寸和电磁参数与图2中一致，矩形介质波导高3mm，电磁参数为ε_r＝5，μ_r＝1，激励放置在矩形波导的左端取为Ez＝1V/m。当频率为f＝27.24GHz时介质环出现模数为m＝15的回音壁模。从图中可以看出，介质圆环谐振时，电场z分量的最大值不到10V/m，而本发明中采用的零折射率超材料耦合WGM模式的电场z分量的最大值大于400V/m。这表明本发明提出的心得耦合方式极大地提高了耦合度。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出其它一些形式，如介质环的椭圆形状、高磁导率介质环、单轴各向异性零折射率材料等，均属本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于：在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。

2.根据权利要求1所述的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于：介质环的形状为圆柱形、椭圆柱形或跑道状结构，周长为入射波波长的数倍到数十倍。

3.根据权利要求1所述的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于：零折射率超材料为介电常数和磁导率都接近零的阻抗匹配媒质或只有介电常数为零或只有磁导率为零或电磁参数张量中主对角线元素部分为零的各向异性材料。

4.根据权利要求1所述的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于：物料入口为环形敞口型喇叭状，物料出口为环形收缩喇叭状。

5.根据权利要求1所述的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于：信号馈入端口和输出端口通过波导探针进行耦合、接收。