CN111129685A - 一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器，包括第一谐振图形层、第二谐振图形层、位于第一谐振图形层和第二谐振图形层之间的介质基板层；第一谐振图形层包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；外侧金属圆圈在相邻两个放射状金属条形结构之间设有开缝；第二谐振图形层为大面积金属地上互补的内侧圆圈、位于内侧圆圈外圆周等间距的放射状条形结构；第一谐振图形层上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层上的放射状条形结构周期相同、上下位置相同。该谐振器通过层状谐振图形对电磁场强束缚，打破结构对称性的开缝进一步增强束缚性并降低辐射损耗，实现微带兼容、深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器。

Description

一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器

技术领域

本发明属于谐振器、传输线技术领域，具体涉及一种深度亚波长和高品质因数的微波毫米波谐振器。

背景技术

对于各个频段的电磁谐振器，有两个非常重要但相互制约的参数：品质因数(Q-factor，Q值)和尺寸。品质因数决定了谐振器中的电磁波能量和周围环境相互作用的寿命，以及谐振器带宽等。通常对于传感、滤波等应用，我们希望品质因数越高越好。品质因数取决于整个谐振结构的损耗，包括材料的吸收损耗，粗糙表面的散射损耗和辐射损耗。吸收损耗和散射损耗取决于构成谐振器的材料和加工工艺，而辐射损耗是由于电磁波在谐振器中谐振不可避免产生的，并与谐振器的电尺寸强相关。谐振器尺寸越大，曲率半径越小，辐射损耗越小，更容易获得高的品质因数。如可见光可近红外频段的微环腔(Microtoroid)谐振器，因为其光滑的表面和几十甚至上百个波长大小的直径，可达到10⁷量级的品质因数。

然而对于微波频段的谐振器，由于电磁波本身波长非常长，如1GHz对应的波长为300mm，电大尺寸的谐振器就过于笨重，绝大多数应用场景都无法实用。而亚波长的谐振器，如LC谐振器，微带环谐振器(Ring Resonator),开口环谐振器(Split Ring Resonator,SRR)等，品质因数和小尺寸都难以兼得。高介电常数的介质谐振器和金属腔体谐振器，可以取得较高的品质因数，但难以和平面印刷电路结构兼容，且较难激励。

人工等离激元谐振器，通常是周期锯齿状结构的圆柱或圆盘，是一种基于人工亚波长结构的慢波谐振器。慢波谐振器可以压缩电磁波的传播波长，从而在较小尺寸中实现更大的电尺寸。但已被报道的人工等离激元谐振器，多基于单层金属图形，或单层金属图形加大面积地，其尺寸还有待于进一步改善。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器，该谐振器通过上下两层金属结构的谐振图形实现对电磁场的强束缚，并通过打破结构对称性的开缝进一步增强束缚性并降低辐射损耗，从而实现一种微带兼容的、深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器，所述谐振器为层状结构，包括：第一谐振图形层1、第二谐振图形层3、位于第一谐振图形层1和第二谐振图形层3之间的介质基板层4；

所述第一谐振图形层1包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；外侧金属圆圈在相邻两个放射状金属条形结构之间设有开缝2；

所述第二谐振图形层3为大面积金属地上互补的内侧圆圈、位于内侧圆圈外圆周等间距的放射状条形结构；

所述第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层3上的放射状条形结构周期相同、上下位置相同。

所述外侧金属圆圈的宽度与内侧圆圈的宽度相同；所述放射状条形结构末端到外侧金属圆圈的距离与所述放射状金属条形结构末端到内侧圆圈的距离相同。

所述介质基板4为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO₂、Al₂O₃、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。

所述介质基板4的厚度为1μm～10mm之间。

所述第一谐振图形层1和第二谐振图形层3为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。

所述第一谐振图形层1和第二谐振图形层3的厚度为50nm～1mm之间。

所述第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层3上的放射状条形结构中条状结构的数量为5-60个。

开缝2数量为一个或多个，其分布打破整个谐振器结构的空间对称性，单个宽度在0.01mm-10mm之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器，利用上下两层谐振图形，实现了对电磁波极强的束缚，降低了亚波长谐振器的辐射损耗，同时实现了深度亚波长的局域性和高品质因数。通过引入打破结构对称性的开缝进一步增强束缚性并降低辐射损耗，从而实现一种微带兼容的、深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器。该人工等离激元谐振器在微波毫米波印刷电路、集成电路和传感技术中有着可观的应用前景。

附图说明

图1为本发明公开的谐振器的结构示意图；

图2为实施例中公开的谐振器的几何参数示意图；

图3为未引入开缝之前，谐振器的S₁₁谱线图，以及前三个谐振模式的电流和电场分布图；

图4为引入不同位置开缝，两个基模(偶极子)模式S₁₁谱线图；以及α＝20°在不同频率下的电流和电场分布图；

图5为开缝位于不同角度α，谐振器的辐射效率曲线图和S₁₁谱线图；

图6为电容激励本发明谐振器的示意图；

图7为D＝20mm,d＝6mm,s＝0.2mm,gap＝0mm,θ＝2°，α＝20°，一周36个条状结构的谐振器，在不同激励电容下的S₁₁谱线图；

图8为D＝20mm,d＝9mm,s＝0.2mm,gap＝0mm,θ＝2°，α＝20°，一周36个条状结构的谐振器，在不同激励电容下的S₁₁谱线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施案例做说明。

本发明公开了一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器，如图1所示，该谐振器为层状结构，图1-(a)为第一谐振图形层1的正视图，图1-(b)为第二谐振图形层3的正视图，图1-(c)为侧视图。第一谐振图形层1包括直径为D的外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周上等间距设置的放射状金属条形结构；外侧金属圆圈在相邻两个放射状金属条形结构之间设有开缝2；第二谐振图形层3为大面积金属地上的互补结构，包括内侧圆圈、位于内侧圆圈外圆周上等间距设置的放射状条形结构；第一谐振图形层1和第二谐振图形层3之间的是介质基板层4。

当谐振器上不设置开缝时，谐振器以微带线的中心轴线为对称结构，通过设置开缝2来破坏谐振器的对称结构。开缝2的数量可以为一个，也可以为多个，其分布打破整个谐振器结构的空间对称性。开缝2的宽度可以在0.01mm-10mm之间，具体根据谐振器的尺寸确定。

如图2所示为实施例中谐振器的结构参数示意图，其中黑色为第一谐振图形层的金属图形，灰色为第二谐振图形层的金属图形。第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层3上的放射状条形结构周期相同、上下位置相同。图中为了表示第一谐振图形层的金属图形与第二谐振图形层的金属图形的位置、形状关系，将第二谐振图形层中的放射状条形结构的宽度稍做放大，实际中第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层3上的放射状条形结构宽度是一致的。第二谐振图形层3为互补结构，即图中灰色金属部分中去除圆环和放射状条形结构，去除部分为白色。

以下实施例中除另外说明，结构参数都取：外侧金属圆圈直径D＝20mm，内外圆圈半径之差d＝6mm，内外圆圈的宽度s＝0.2mm,第一谐振图形层中放射状金属条形结构末端到第二谐振图形层中互补的内侧圆圈最内侧的距离，以及第二谐振图形层中互补的放射状条形结构末端到第一谐振图形层中外侧金属圆圈最外侧的距离均为gap。，开缝2到外侧金属圆圈圆心的连接线与微带线中心轴之间的夹角α＝20°，第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层3上的放射状条形结构中均有36个条状结构；一个条状结构的角度θ＝2°。图2角α的两条边中，水平方向的边为微带线中心轴线，另一条边为开缝2的中心与外侧金属圆圈圆心连线。

放射状条形结构末端可以超出外侧金属圆圈的圆周，此时放射状金属条形结构的末端也要超出内侧圆圈的圆周，这种情况gap<0，gap也可以为0，此时从谐振器的正上方俯视，第一谐振图形层中放射状金属条形结构末端正好到第二谐振图形层中互补的内侧圆圈的最内侧，第二谐振图形层中互补的放射状条形结构末端正好到第一谐振图形层中外侧金属圆圈的最外侧。图2表示了各参数的含义，一下实施例以gap＝0mm为例来说明本发明。

实施例一：

本实施例的人工等离激元谐振器的结构如图1-2所示。其中几何参数为：D＝20mm,d＝6mm,s＝0.2mm,gap＝0mm,θ＝2°，α＝20°，一周36个条状结构。该结构由50Ω微带线激励，介质基板4为0.508mm厚的Rogers RO4003C板材，其介电常数为3.38，损耗角正切0.0021，微带线宽度w＝1.18mm,微带线到谐振器缝隙s＝0.2mm。

如图3(a)所示，为没有开缝2的谐振器的S₁₁谱线(利用CST软件的时域求解器，电磁场仿真得到)，呈现出典型的人工表面人工等离激元谐振器的谱线，可以激励起多个谐振模式。其中前三个模式(电偶极子，电四极子，电六极子)的电流和电场z(垂直于纸面方向)分量分布图如图3(b)。但是由于上下两层谐振图形极大的增强了结构对电磁波的束缚性，因此该谐振器的束缚性和品质因数都非常高。其中的电偶极子模式，谐振在1.5GHz，即将谐振压缩到1/9.97个波长；辐射效率2.12％，品质因数122.3。

如图4(a)所示，为加入开缝2时的谐振器的S₁₁谱线，其中上部为α＝20°的S₁₁谱线，下部为α＝0的S₁₁谱线。当α＝0，结构仍然对称，其S₁₁谱线和未加入开缝的相同；而当α＝20°，除了原先的电偶极子模式，在其一半频率的位置(0.75GHz)，产生了新的谐振，相当于其将谐振束缚于1/20个波长。α＝20°情况下，0.75GHz和1.50GHz的电流和电场z分量分布分别如图4(b)和图4(c)所示。随着结构对称性的打破，出现了另一个电偶极子模式，其电流分布为中心对称，而非原电偶极子的镜像对称。而中心对称的电流，其两个半圆的辐射相互抵消，可以极大的抑制辐射损耗。在α＝20°，辐射效率0.04％，品质因数为107.5。这里辐射效率降低，但品质因数相对于没有开缝的结构略有下降，是由于更强的场束缚增大了吸收损耗。

如图5所示，为谐振器的辐射损耗和S₁₁谱线随α的变化。在α≠0的情况下，辐射损耗都得到了极大的抑制，S₁₁的带宽也随着辐射效率而变化。

实施例二：

本实施例中，除了考虑高的品质因数，也考虑对谐振器的激励效率或谐振强度。

本实施例采用的结构如图6所示，利用贴片电容增强对人工等离激元谐振器的激励效率，从而增加其谐振强度。本实施例中人工等离激元谐振器的结构和实施例一相同，α＝20°。区别为在激励微带线5与外侧金属圆圈之间增加了贴片电容6。如图6所示，激励微带线5的宽度为w；贴片电容6一端连接微带线5，另一端连接外侧金属圆圈。该谐振器在不同的贴片电容的电容值下的S₁₁谱线如图7所示，可见当电容较小的时候，是欠耦合，当电容过大，对应过耦合，两种情况品质因数和激励效率都不够理想。对于本实施例中特定的结构，0.11pF为最优化的电容值，可以实现1/20.9波长的场束缚，品质因数90.9，激励效率93.37％。电容的加入，更加压缩了等效波长，对场束缚性略有改善，但更强的场束缚会增加材料中的吸收损耗，品质因数略有下降。

实施例三：

本实施例中采用的人工等离激元谐振器几何参数为：D＝20mm,内外圆圈半径之差d＝9mm,s＝0.2mm,gap＝0mm,θ＝2°，α＝20°，一周36个条状结构。由于d的增大，其可以实现更强的场束缚。如图8所示，为本实施例中的谐振器在不同激励电容下的S₁₁谱线。该结构对应最优化的激励电容值为0.13pF，其最低频率的谐振模式对应于1/23个波长，品质因数93.1，激励效率为93.43％.。

Claims (10)

1.一种深度亚波长和高品质因数的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述谐振器为层状结构，包括：第一谐振图形层(1)、第二谐振图形层(3)、位于第一谐振图形层(1)和第二谐振图形层(3)之间的介质基板层(4)；

所述第一谐振图形层(1)包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；外侧金属圆圈在相邻两个放射状金属条形结构之间设有开缝(2)；

所述第二谐振图形层(3)为大面积金属地上互补的内侧圆圈、位于内侧圆圈外圆周等间距的放射状条形结构；

所述第一谐振图形层(1)上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层(3)上的放射状条形结构周期相同、上下位置相同。

2.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述外侧金属圆圈的宽度与内侧圆圈的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述放射状条形结构末端到外侧金属圆圈的距离与所述放射状金属条形结构末端到内侧圆圈的距离相同。

4.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述介质基板(4)为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO₂、Al₂O₃、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。

5.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述介质基板(4)的厚度为1μm～10mm之间。

6.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述第一谐振图形层(1)和第二谐振图形层(3)为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。

7.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述第一谐振图形层(1)和第二谐振图形层(3)的厚度为50nm～1mm之间。

8.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述第一谐振图形层(1)上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层(3)上的放射状条形结构中条状结构的数量为5-60个。

9.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述开缝(2)数量为一个或多个，其分布打破整个谐振器结构的空间对称性。

10.根据权利要求1所述的人工等离激元谐振器，其特征在于，所述开缝(2)的缝宽在0.01mm-10mm之间。

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