CN109216843A - 基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线。包括介质基底，所述基底上设置有周期相连的亚波长金属结构单元，每一个金属结构单元由两根、三根或者多根螺旋金属臂组合而成；相邻金属结构单元之间呈对称、反对称方式分布，用于远距离传输具有高束缚的人工局域表面等离激元。本发明采用普通的PCB工艺制作，加工方便，具有小型化、高隔离、高传输的特点，提高了系统的集成度，具有很好的应用前景。

Description

基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线

技术领域

本发明属于人工电磁材料领域，涉及一种基于金属螺旋形臂结构的人工局域表面等离激元耦合的传输线。

背景技术

在光波段，表面等离激元(Surface Plamson，SPs)是指金属表面的自由电子和入射波相互作用后发生的集体振荡。表面等离激元是一种特殊的电磁表面波，其主要特征有：一、电磁波的场强在金属/介质交界面的垂直方向呈指数衰减；二、电磁波的能量被束缚在交界面附近的亚波长范围内；三、在交界面附近会出现局域场增强现象。根据传播特性的不同，表面等离激元可以分为在金属/介质交界面上传播的表面等离极化激元(SurfacePlasmon Polaritons，SPPs)和局域在金属颗粒附近的局域表面等离激元(LocalizedSurface Plasmons，LSPs)两种。其中局域表面等离激元对周围环境极其敏感，并且能将电磁波束缚在很小的区域范围内，带来巨大的场增强效应。在一维周期排列的亚波长金属颗粒上，局域表面等离激元之间会发生相互耦合，这种相互耦合能够传递电磁波能量。由于金属颗粒的具有亚波长的特性，所以这种一维周期亚波长金属颗粒的电磁能量的传输方式在新型光学器件具有重要的应用价值，从而得到了科学家的广泛关注。

但是，金属只有在近红外和光波频段才能呈现出等离子体(Plasma)的性质，从而在金属表面形成表面等离激元。而在低频(如微波、太赫兹波和远红外)波段金属的介电常数趋近于无穷大近似为完美导体。当电磁波遇到完美导体时会被反射无法进入导体内部，所以金属表面对低频波段电磁波的束缚就非常弱，无法形成表面等离激元表面波。经过科学家的研究，发现通过人工电磁材料的设计能够在低频(如微波、太赫兹波和远红外)波段实现类似的表面波，被称为人工表面等离激元(Mimicking SPs或者Spoof SPs)。这种表面波有着与光波段表面等离激元类似的局域和亚波长束缚特性，可以在低频波段实现诸如器件小型化及各种潜在应用。因此，由人工局域表面等离激元耦合实现的传输线能够成为下一代电路系统的希望之一。

目前基于人工局域表面等离激元的传输结构，主要包括直金属臂构成的单元等结构，这些结构只能产生电谐振模式，从而其构成的传输线只能传输电谐振模式。通常来说磁谐振模式的传输性能更优于电谐振模式，本发明所设计的金属螺旋臂单元，能够同时传输电谐振和磁谐振模式，具有更广泛的应用前景；并且首次通过金属条连接相邻的单元结构，为单元结构提供传导电流的交互途径，能够有效的提高单元之间的耦合，从而提高传输特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种亚波长、高束缚、高传输性能的人工局域表面等离激元耦合波导，并进一步提供一种基于上述波导型传输线的电路。

一种基于人工局域表面等离激元之间耦合效应的波导型传输线，包括介质基底，所述基底上设置有周期相连的亚波长金属结构单元，每一个金属结构单元由两根、三根或者多根螺旋金属臂组合而成；相邻金属结构单元之间呈镜像、反镜像方式分布，用于远距离传输具有高束缚的人工局域表面等离激元。

所述金属臂可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形螺旋形金属臂。

所述介质基板采用PCB板、硅基底、石英基底、或聚酰亚胺基底。

金属螺旋臂构成的单元结构能够等效为高介电常数的介质结构。在电磁波的激励下，金属螺旋臂构成的单元结构会产生电谐振和磁谐振的模式。当单元结构靠近并相连时，谐振模式之间会发生传导电流的相互耦合。本发明将金属单元结构呈一维周期排列并相连，电磁波在相邻单元之间相互耦合并进行能量传输。

金属螺旋臂组成的单元结构，通过改变金属臂的宽度、间距、长度以及基底的厚度、介电常数能够改变单元结构的工作频段和工作带宽。

本发明可以通过尺度变化，放大、缩小单元结构，能够用于微波、太赫兹波段的人工局域表面等离激元的耦合传输。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在介质基底上周期排列的金属螺旋臂组合单元实现人工局域表面等离激元的耦合传输，其对电磁场具有较强的束缚性，具有较强的抗干扰能力。

(2)相较于其他人工表面等离激元波导，本发明主要基于人工局域表面等离激元耦合的传输，由于人工局域表面等离激元拥有电谐振和磁谐振两种模式，其传输特性具有多频带的功能。

(3)相比于传统传输线，其工作频段及传播常数并不能随意调节，本发明的传输线可以通过不同的金属螺旋臂长度来实现传输常数和工作频段的调节

(4)通过改变相邻金属结构的镜像、反镜像分布，能够实现电磁波相位的正向、反向传输，具有较强的应用前景。

附图说明

图1是本发明中基于人工局域表面等离激元耦合的传输线结构示意图：其中1为介质基底，2为传输线金属结构，3为连接周期单元的金属条。

图2是本发明中人工局域表面等离激元的单元结构示意图。

图3是相邻单元结构反镜像分布的基于人工局域表面等离激元耦合的传输线的能量传输结果。

图4是相邻单元结构镜像分布的基于人工局域表面等离激元耦合的传输线示意图。

图5是相邻单元结构镜像分布的基于人工局域表面等离激元耦合的传输线的能量传输结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明

如图1所示，本发明基于人工局域表面等离激元耦合的传输线主要包括介质基底1以及位于基底上的金属螺旋状铜箔波导。

具体的，所述介质基底1的上面设置有一根金属片2，每个金属片至少包括若干个金属螺旋单元；所述金属螺旋单元由若干根螺旋金属臂组合构成；相邻金属螺旋单元之间由一根小的金属条3连接。

在进一步实施中，所述金属螺旋臂可根据需要采用圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形等螺旋结构。所述相邻金属螺旋单元可呈镜像、反镜像分布。

本发明是基于人工设计的人工局域表面等离激元结构呈反镜像周期排列而成。其介质基板使用的是F4b,其相对介电常数为2.65，损耗角正切角为0.001.其上结构通过电路板印刷技术加工而成。如图所示，周期排列的人工设计的金属螺旋结构通过一个金属条连接，金属条长度为1mm。本案例中每个金属螺旋结构由四根金属螺旋臂组成，每个金属螺旋结构直径径d＝24.6为mm，每根金属条的宽度为a＝1mm，金属条之间的间隔为b＝1mm。如图1所示，当选取所述传输线包含7个周期螺旋单元时，利用电磁仿真软件，可见其传输结果如图3所示。可以观察到1.55GHz到1.7GHz都有很好的传输效果。

图4是相邻金属螺旋结构镜像分布的情况，其金属单元结构与图1一致，经过仿真可得其传输结果如图5所示。可以观察到在1.6GHz到1.7GHz之间有很好的传输效果。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述事实方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对发明的技术方案进行多种等同便函，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线，其特征在于包括介质基底，以及设置在基底上的周期性分布的亚波长金属结构单元；每一个金属结构单元由两根以上等间距设置的螺旋金属臂构成；相邻金属结构单元之间呈镜像或反镜像方式分布且相连，用于远距离传输具有高束缚的人工局域表面等离激元。

2.如权利要求1所述的基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线，其特征在于所述金属臂可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形螺旋形金属臂。

3.如权利要求1所述的基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线，其特征在于每个金属结构单元等效为高介电常数的介质结构；在电磁波的激励下，金属结构单元会产生电谐振和磁谐振的模式；当相邻金属结构单元靠近并相连时，谐振模式之间会发生传导电流的相互耦合。

4.如权利要求1所述的基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线，其特征在于金属结构单元呈一维周期排列并相连，电磁波在相邻金属结构单元之间相互耦合并进行能量传输。

5.如权利要求1所述的基于螺旋形金属臂的人工局域表面等离激元耦合的传输线，其特征在于所述介质基板采用PCB板、硅基底、石英基底、或聚酰亚胺基底。