CN111106449A - 基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置及方法 - Google Patents

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付全红
杨蕤生
樊元成
张富利
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Abstract

本发明涉及一种基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置及方法，两个开口谐振环中间分别嵌入一个变容二极管，同时在两个开口谐振环上方与下方分别添加馈电导线，馈电导线连接外部电源对变容二极管两端电压进行调节，馈电导线与开口谐振环之间分别添加一个电感用于隔绝馈电导线对超材料结构电磁响应的影响。利用馈电电压调节变容二极管的工作状态，进而调节两个开口谐振环的工作频率，以此实现法诺共振透射谱线的动态调制。两个开口谐振环大小不同，利用这样的非对称结构激励出磁四级模式，磁四级模式与电场激励的磁偶级模式发生相消干涉，从而使得透射谱线展现出法诺共振线型。

Description

基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置及方法
技术领域
本发明属于法诺共振的装置，涉及一种基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置及方法，尤其涉及一种基于非对称开口谐振环辅以变容二极管实现电调控法诺共振的装置。
背景技术
在原子系统中，一个连续态与一个离散态能级互相叠加时会发生干涉，从而使得原子系统谱线呈现出非对称线型，这一现象也被称为法诺共振。法诺共振的谱线通常具有非对称的线型，并且由于其强烈的色散效应，导致其往往伴随着高品质因子谐振，所以在生物传感，非线性增强等领域具有潜在应用。近些年来研究人员巧妙的设计人工微结构结构，即超材料，通过近场耦合干涉，能够类比原子系统中的干涉行为实现法诺共振。然而这种超材料器件一经加工成型往往只能工作于固定的狭窄频带，极大的限制了其实际应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置及方法，解决传统超材料器件结构复杂，工作频率单一等问题，公开一种基于非对称开口谐振环实现法诺共振，并且辅以两个变容二极管通过外加偏压的改变动态调控法诺共振工作频率的设计思路和实现手段。
技术方案
一种基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置，其特征在于：包括两个开口谐振环和两个变容二极管；两个开口谐振环为并联，每个开口谐振环其中的一个开口串联一个变容二极管，馈电导线通过电感分别与两个开口谐振环上方与下方连接，整体连接结构置于一个标准矩形波导WR284中；所述变容二极管的正极为同一方向；所述四个电感数值相等；所述两个开口谐振环的尺寸不相等，呈现非对称结构激励出磁四级模式，磁四级模式与电场激励的磁偶级模式发生相消干涉，从而使得透射谱线展现出法诺共振线型。
所述串联变容二极管的开口尺寸g＝1.3mm。
所述金属线条宽度为w＝2毫米，两个开口谐振环之间的间隔为s＝8mm，几何参数值一个开口谐振环的L1＝14mm，另一个开口谐振环的L2＝13mm。
所述开口谐振环采用条带结构。
所述金属线条材质为金属铜。
一种利用所述基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置实现法诺共振的方法，其特征在于：将并联的两个非对称开口谐振环与直流电源并联，变容二极管的正极连接直流电源的正极，调节馈电电压以改变两个开口谐振环的工作频率，使得法诺共振的工作频率发生频移，进而调制电磁波透射谱线。
有益效果
本发明提出的一种基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置及方法，两个开口谐振环中间分别嵌入一个变容二极管，同时在两个开口谐振环上方与下方分别添加馈电导线，馈电导线连接外部电源对变容二极管两端电压进行调节，馈电导线与开口谐振环之间分别添加一个电感用于隔绝馈电导线对超材料结构电磁响应的影响。利用馈电电压调节变容二极管的工作状态，进而调节两个开口谐振环的工作频率，以此实现法诺共振透射谱线的动态调制。两个开口谐振环大小不同，利用这样的非对称结构激励出磁四级模式，磁四级模式与电场激励的磁偶级模式发生相消干涉，从而使得透射谱线展现出法诺共振线型。
法诺共振的出现是由于电场激励的磁偶级模式与磁四级模式的相消干涉。利用外加偏压调控变容二极管的工作状态，从而可以改变两个开口谐振环的工作频率，实现对法诺共振的动态调制并且能够显著调控电磁波透射谱线。发明所涉及的超材料器件不仅可用于调频，还可以用于电磁波振幅调制。另外通过控制金属结构的几何尺寸，可以使得该超材料器件工作于不同电磁波频段。
本发明具有如下的效果和优点：
1.本发明基于非对称开口谐振环，利用外电场激励的磁偶级模式与磁四级模式发生相消干涉实现法诺共振，为法诺共振的实现提供了全新的方法。
2.本发明采用的调制方法能够以较低的电压高效率的调制法诺共振的工作频率，在多个特征频率处均能达到较高的调制幅度。
3.本发明采用成熟的印刷电路板制备样品，具有成本可控，加工简单的优点。
附图说明
图1是本发明基于非对称开口谐振环实现动态可调法诺共振的结构示意图；
图2是本发明基于非对称开口谐振环实现动态可调法诺共振的案例实物图；
图3是本发明基于非对称开口谐振环实现动态可调法诺共振的案例在不同电压下的透射曲线；
图4是本发明基于非对称开口谐振环实现动态可调法诺共振的案例在2.89GHz、3.10GHz和3.22GHz三个频率处随电压变化的透射调制曲线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
法诺共振的出现是由于电场激励的磁偶级模式与磁四级模式的相消干涉。利用外加偏压调控变容二极管的工作状态，从而可以改变两个开口谐振环的工作频率，实现对法诺共振的动态调制并且能够显著调控电磁波透射谱线。发明所涉及的超材料器件不仅可用于调频，还可以用于电磁波振幅调制。另外通过控制金属结构的几何尺寸，可以使得该超材料器件工作于不同电磁波频段。
本发明的具体结构实现如附图1：包括两个条带结构的开口谐振环，两个开口谐振环中间均开一个小口用于焊接变容二极管，整个结构置于一个标准矩形波导WR284中，入射电磁波为TE10模式，电磁波电场分量沿着竖直方向。通过馈电电压的调节改变两个开口谐振环的工作频率，使得法诺共振的工作频率发生频移，进而显著调制电磁波透射谱线。
实施例参阅附图1，附图2，附图3，及附图4.
案例结构由两个尺寸大小不同的开口谐振环组成，两个开口谐振环分别嵌入一个变容二极管，利用馈电电压调节变容二极管的工作状态，进而调节两个开口谐振环的工作频率，实现法诺共振透射谱线的动态高效调制。金属线条宽度为w＝2毫米(mm)，材质为金属铜，图中各项几何参数值分别为L1＝14mm,L2＝13mm,g＝1.3mm,s＝8mm。整个结构通过印刷电路板技术打印到1毫米厚的特氟龙基板上(实物图见附图2)。同时在两个开口谐振环上方与下方分别添加馈电导线对变容二极管施加偏压，连接外部电源进行馈电调节。馈电导线与开口谐振环之间分别添加一个电感用于隔绝导线对超材料结构电磁响应的影响。本发明案例在WR284标准波导环境中进行测试，测试所得随外加偏压变化的透射率曲线如附图3所示；在馈电电压为0伏特(V)时，变容二极管电容值较高，超材料器件展现出法诺谐振透射线型，其透射峰处于较低频率2.98GHz，随着外部偏压逐渐增加，电容值逐渐降低，法诺线型表现为整体的蓝移，偏压值为8V时，法诺共振透射峰处于3.20GHz，从而实现了法诺共振的动态调制，且工作频移量达到了0.22GHz。另外，本发明所涉及的超材料器件还可以用于微波振幅调制，附图4选取了2.89GHz、3.10GHz和3.22GHz三个频率处其透射率随电压的变化曲线：随电压从0V增加到8V，在2.89GHz频率处，其透射率可以从-19.31dB单调的增加到-1.63dB，在3.22GHz频率处，其透射率可以从-0.59dB单调的减小到-16.28dB，而在3.10GHz频率处，其透射率可以从-14.31dB先单调的增加到-1.16dB，然后再单调的减小到-19.62dB。本发明案例涉及的金属条带结构简单，易于加工制作，在设计制备过程中可以根据实际需求改变其几何尺寸对不同频段电磁波进行动态调制。

Claims (6)

1.一种基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置，其特征在于：包括两个开口谐振环和两个变容二极管；两个开口谐振环为并联，每个开口谐振环其中的一个开口串联一个变容二极管，馈电导线通过电感分别与两个开口谐振环上方与下方连接，整体连接结构置于一个标准矩形波导WR284中；所述变容二极管的正极为同一方向；所述四个电感数值相等；所述两个开口谐振环的尺寸不相等，呈现非对称结构激励出磁四级模式，磁四级模式与电场激励的磁偶级模式发生相消干涉，从而使得透射谱线展现出法诺共振线型。
2.根据权利要求1所述基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置，其特征在于：所述串联变容二极管的开口尺寸g＝1.3mm。
3.根据权利要求1所述基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置，其特征在于：所述开口谐振环采用金属条带结构。
4.根据权利要求1或3所述基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置，其特征在于：所述金属线条带宽度为w＝2毫米，两个开口谐振环之间的间隔为s＝8mm，几何参数值一个开口谐振环的L1＝14mm，另一个开口谐振环的L2＝13mm。
5.根据权利要求1或3或4所述基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置，其特征在于：所述金属线条材质为金属铜。
6.一种利用权利要求1～5所述任一项基于非对称开口谐振环实现电调控法诺共振的装置实现法诺共振的方法，其特征在于：将并联的两个非对称开口谐振环与直流电源并联，变容二极管的正极连接直流电源的正极，调节馈电电压以改变两个开口谐振环的工作频率，使得法诺共振的工作频率发生频移，进而调制电磁波透射谱线。
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