CN104852254B - 一种宽带表面等离激元辐射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带表面等离激元辐射器。该辐射器工作在微波频段，使用双面对踵金属结构，即介质上层金属和底层金属使用相同结构，相对放置。该辐射器由传统的微带传输线馈电，利用槽深渐变的单边褶皱带线以及开口的金属结构实现对表面等离激元的辐射，解决了现有技术中存在的辐射器整体尺寸较大，无法进行小型化应用的问题，利用本发明的结构，可以实现在宽频带范围内，直接、高效的辐射表面等离激元。

Description

一种宽带表面等离激元辐射器
技术领域
本发明涉及新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种宽带表面等离激元辐射器。
背景技术
表面等离激元是一种在金属和介质交界面传播，同时在垂直于交界面的方向上按指数衰减的表面波。当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面，金属表面的自由电子即会发生集体振荡，从而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波。当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时，则会形成共振。在共振状态下，入射波的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，形成一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内，即表面等离激元现象。然而，当电磁波的频率降低到微波和太赫兹波段时，金属将不再支持这种表面等离激元。为了实现微波和太赫兹波段的表面等离激元，人们提出一种人工表面等离激元。利用金属表面层上的一维或者二维的亚波长周期结构支持人工表面等离激元的传播。其中，很多有价值的工作都是利用亚波长的褶皱结构实现的。
为了实现传统微带传输线和表面等离激元波导间的高效转换，一种基于渐变槽深的单边褶皱带线和渐变宽度带线的转换被提出。转换结构的简化使得表面等离激元的应用进一步扩大。然而将表面等离激元直接辐射成空间波这一领域还相对空白。现有的辐射结构一种是利用表面等离激元波导作为激励，使用金属贴片进行二次辐射，并没有实现表面等离激元的直接辐射，且结构复杂，器件的集成化程度较低；另一种则是利用折射率渐变的超表面对表面等离激元进行辐射，虽然这种方式已经实现了对表面等离激元的直接辐射，然而这种利用超表面的方法会增加整体结构的尺寸，无法进行小型化应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带表面等离激元辐射器，实现表面等离激元的直接、高效辐射。
技术方案：为实现上述目的，本发明的宽带表面等离激元辐射器，包括介质基底和金属结构，其特征在于，所述金属结构包括分别附着在所述介质基底的上、下层的上层金属带和下层金属带，所述上层金属带和所述下层金属带上沿金属带延伸方向均依次设置有第一单边褶皱带线、第二单边褶皱带线、第三单边褶皱带线，第二单边褶皱带线上开设有等间隔的等宽等深凹槽，第一单边褶皱带线上开设有等间隔等宽凹槽，凹槽深度随着金属带延伸方向逐渐加深直至与第二单边褶皱带线上的凹槽深度相同，第三单边褶皱带线上设有等间隔等宽凹槽，凹槽深度随着金属带的延伸方向逐渐减少至零。其中，所述上层金属带和所述下层金属带在所述介质基底的上层和下层对踵放置，金属带上的单边褶皱带线部分相对放置，并在金属带延伸方向形成开口，在所述金属结构上依次形成微带传输线馈电部分、表面等离激元波导部分以及所述微带传输线馈电部分到所述表面等离激元波导的过渡部分和表面等离激元辐射部分，所述微带传输线馈电部分所包含的所述上层金属带的宽度小于所述下层金属带的宽度；所述过渡部分包括所述第一单边褶皱带线；所述表面等离激元波导部分包括所述第二单边褶皱带线；所述表面等离激元辐射部分包括所述第三单边褶皱带线和所述开口。
其中，所述第一、第二、第三单边褶皱带线的凹槽均为矩形且间隔和宽度相同。
其中，所述第一单边褶皱带线的凹槽宽度为1.2mm，深度为1.2mm，凹槽间隔为2.5mm。
有益效果：相比于已有的表面等离激元辐射器，本发明的宽带表面等离激元辐射器辐射频率范围更大，具有设计简单，易于加工，体积小，辐射效率高等优点；采用传统的微带传输线进行馈电，利用槽深渐变的单边褶皱带线和开口金属结构实现对表面等离激元的辐射，宽带表面等离激元辐射器从传统微带传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的单边褶皱带线结构和宽度逐渐变化的带线结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化；辐射部分采用槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属结构，当单边褶皱带线槽深减小时，波数随之变小，并逐渐接近光线，为表面等离激元的辐射提供了基础，同时，开口的金属结构实现了表面等离激元波导到空间的阻抗匹配，渐变的槽深和开口的金属结构分别实现从表面等离激元到空间波的波数和宽频带内的阻抗匹配，从而实现表面等离激元的直接、高效辐射。
附图说明
图1为表面等离激元辐射器的结构示意图；图1(a)为整体结构示意图，图1(b)为上层金属带结构示意图；图1(c)为下层金属带结构示意图；
图2为单边褶皱带线单元随槽深变化的色散曲线图；
图3为宽带表面等离激元辐射器的仿真和实测的反射系数图；
图4为宽带表面等离激元辐射器采用不同频率入射波的近场仿真图；图4(a)给出了6GHz时的近场图；图4(b)给出了10GHz时的近场图；图4(c)给出了14GHz时的近场图；图4(d)给出了18GHz时的近场图；
图5为宽带表面等离激元辐射器采用不同频率入射波的实测远场辐射方向图；图5(a)给出了6GHz时的实测远场辐射方向图；图5(b)给出了10GHz时的实测远场辐射方向图；图5(c)给出了14GHz时的实测远场辐射方向图；图5(d)给出了18GHz时的实测远场辐射方向图；
图6为宽带表面等离激元辐射器的增益曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
图1(a)中的宽带表面等离激元辐射器，采用双面对踵金属结构，包括：介质基底3以及附在其上、下层且相对放置的上层金属带1和下层金属带2，上层金属带1和下层金属带2上均设置有三段单边褶皱带线，为了描述方便，沿着金属带延伸方向即图1中从左至右的方向，依次命名为第一单边褶皱带线、第二单边褶皱带线、第三单边褶皱带线，如图1(b)和图1(c)所示，三段单边褶皱带线上均开设有等间隔的等宽凹槽，凹槽宽度为1.2mm，凹槽间隔为2.5mm，第二单边褶皱带线上的凹槽深度相同，为1.2mm，第一单边褶皱带线上的凹槽深度随着金属带延伸方向逐渐加深直至与第二单边褶皱带线上的凹槽深度相同，第三单边褶皱带线上的凹槽深度随着金属带的延伸方向逐渐减小；上层金属带1和下层金属带2在介质基底3的上层和下层对踵放置，单边褶皱带线部分相对放置，并在金属带延伸方向形成开口，形成了包含微带传输线馈电部分10、表面等离激元波导部分12以及两者之间的过渡部分11和表面等离激元辐射部分13的金属结构；微带传输线馈电部分10位于该金属结构的左端，该部分上层金属带1的宽度小于下层金属带2的宽度；表面等离激元波导部分12位于金属结构的右侧，包括第二单边褶皱带线；过渡部分11位于微带传输线馈电部分和表面等离激元波导部分之间，包括第一单边褶皱带线；辐射部分14位于金属结构的最右端，包括第三单边褶皱带线和开口，开口的缝隙随着金属带的延伸方向扩大，凹槽的深度随着结构的延伸逐渐减小至零。
利用宽带表面等离激元辐射器实现表面等离激元的辐射时，可以将辐射过程看成是电磁波从表面等离激元波导传播到自由空间的过程。根据传输线(金属带)理论，当两段传输线阻抗匹配时，电磁波可以进行无耗传播，因此，要实现表面等离激元的辐射，首先要实现表面等离激元波导和自由空间的阻抗匹配，开口的金属结构就是用来实现这种阻抗匹配的；另外，从波导到自由空间的传输还应该考虑这两段传输线之间的波数匹配，槽深渐变的褶皱带线即用来实现波数匹配，当阻抗和波数同时匹配时，电磁波就可以从表面等离激元波导无耗传播到自由空间，即实现了表面等离激元的辐射。
沿金属凹槽线的传播波的色散关系可以描述为：
其中，k0-cc/c,表示自由空间的波数，kx是波导中的波数，a为凹槽的宽度，h为凹槽的深度，p为表面等离激元波导凹槽的周期。当0＜k0h＜π/2时，kx是大于k0的实数，即表面等离激元的速度慢于光速，由图2也可以看出这一点，在相同频率(纵坐标相同)下，单边褶皱带线的槽深h越小，对应的传播常数(横坐标)也越小，即波数也越小，并逐渐趋近于光线。在表面等离激元辐射部分，随着槽深h的逐渐变小，波数逐渐趋于光线，波数平滑过渡便实现了两段传输线的波数匹配，为实现表面等离激元的辐射提供了基础。
图3中实测的反射系数与软件仿真结果基本吻合，趋势一致。截止频率的误差来源可能是机械误差和匹配误差造成的。在5-20GHz频率范围内，带宽相比于现有的辐射技术更宽，几乎覆盖微波频段，反射系数均小于-10dB，表明了该结构具有良好的辐射特性。
图4中可以明显的看出，通过槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属结构，表面等离激元被转换为空间波辐射了出去。
图5中，当频率到达14GHz时，宽带表面等离激元辐射器的最大辐射方向开始发生偏移，这是由于开口金属结构本身的限制产生的。这种偏移可以通过在对踵的金属结构所开口中间添加适当的超材料结构来减小。
图6中，宽带表面等离激元辐射器在工作频带范围内的平均增益可达9.9dBi。
综上所述，本发明提供了一种宽带表面等离激元辐射器，可以实现表面等离激元的直接、高效辐射。并具有设计简单，易于加工，体积小，辐射效率高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。
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。

Claims (4)

1.一种宽带表面等离激元辐射器，包括介质基底(3)和金属结构，其特征在于，所述金属结构包括分别附着在所述介质基底(3)的上、下层的上层金属带(1)和下层金属带(2)，所述上层金属带(1)和所述下层金属带(2)上沿金属带延伸方向均依次设置有第一单边褶皱带线、第二单边褶皱带线、第三单边褶皱带线，第二单边褶皱带线上开设有等间隔的等宽等深凹槽，第一单边褶皱带线上开设有等间隔等宽凹槽，凹槽深度随着金属带延伸方向逐渐加深直至与第二单边褶皱带线上的凹槽深度相同，第三单边褶皱带线上设有等间隔等宽凹槽，凹槽深度随着金属带的延伸方向逐渐减少至零，所述第二单边褶皱带线上的凹槽和所述第三单边褶皱带线上的凹槽的槽底处于同一水平线。
2.根据权利要求1所述的宽带表面等离激元辐射器，其特征在于，所述上层金属带(1)和所述下层金属带(2)在所述介质基底(3)的上层和下层对踵放置，金属带上的单边褶皱带线部分相对放置，并在金属带延伸方向形成开口，在所述金属结构上依次形成微带传输线馈电部分(10)、表面等离激元波导部分(12)以及所述微带传输线馈电部分到所述表面等离激元波导的过渡部分(11)和表面等离激元辐射部分(13)，所述微带传输线馈电部分(10)所包含的所述上层金属带(1)的宽度小于所述下层金属带(2)的宽度；所述过渡部分(11)包括所述第一单边褶皱带线；所述表面等离激元波导部分(12)包括所述第二单边褶皱带线；所述表面等离激元辐射部分(13)包括所述第三单边褶皱带线和所述开口。
3.根据权利要求1所述的宽带表面等离激元辐射器，其特征在于，所述第一、第二、第三单边褶皱带线的凹槽均为矩形且间隔和宽度相同。
4.根据权利要求3所述的宽带表面等离激元辐射器，其特征在于，所述第二单边褶皱带线的凹槽宽度为1.2mm，深度为1.2mm，凹槽间隔为2.5mm。
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