CN111710967B - 基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器 - Google Patents

基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器 Download PDF

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Abstract

基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器，包括介质基板，介质基板正面覆有三条宽度相同的矩形金属条，构成传统共面波导。在共面波导中间金属带上刻有周期性圆孔，构成人工表面等离激元传输器。在上侧金属条的中间部分刻有相同大小的圆孔，并将阿基米德螺旋臂组成的螺旋金属粒子放置在圆孔中，人工表面等离激元可以同时激发多个金属粒子产生涡旋波。本发明的涡旋波生成器首次实现了涡旋波金属粒子的印刷，并且没有转换结构，结构简单紧凑，易于集成，制作方便，适用范围广，在微波段具有广阔的应用前景。

Description

基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器
技术领域
本发明涉及涡旋波生成器，具体涉及一种基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器。
背景技术
表面等离激元是指在金属与电介质交界面处存在的自由振动的电子与光子因相互作用产生的混合激发态，是沿交界面传播的表面电磁波，在与交界面垂直方向按指数衰减。人工结构化金属表面能够使电磁波束缚在其表面，构成与表面等离激元模式相类似的表面波，称为人工表面等离激元。人工表面等离激元克服了在微波段无法较好观测表面等离激元的限制，使其延伸到微波段。人工表面等离激元具有通过改变金属的结构参数控制其色散特性和截止频率的优点，因此在微波段有独特的优越性和发展前景。
涡旋波是指携带有轨道角动量的电磁波，与普通光束相比，涡旋光束相位波前为连续螺旋形，而不是平面或者球面。因携带有轨道角动量而增加了一个新的自由度，涡旋波可有效地提高通讯领域的频谱效率和增加通信容量，因此在雷达等相关方面有较好的应用前景。涡旋波的研究起源于1992年，但是，相比于光学频率段，微波频段的涡旋波研究开始较晚。涡旋波的产生方式多种多样，例如螺旋相板，螺旋抛物面天线法，阵列天线等。最近几年，各种可产生涡旋波的阵列超表面被研究和提出，而等离子涡旋提供了产生轨道角动量的另一种方式。由于在较低频率段表面等离激元存在一定的限制，所以选择人工表面等离激元产生等离子涡旋受到广泛的关注。目前这些方法各有优势但同时又有不足，比如结构较复杂，尺寸较大，同一时刻只能激发一个粒子产生涡旋波等。
发明内容
本发明的目的在于利用人工表面等离激元的高传输性，同时激发多个螺旋粒子产生微波涡旋波，提供一种基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器。该结构利用传统共面波导进行馈电，通过在共面波导的中间金属带刻有周期性的圆孔，实现了共面波导到表面等离激元波导的转换，实现了人工表面等离激元的传输。将阿基米德螺旋臂组成的螺旋粒子放置在共面波导上侧金属的中间部分，人工表面等离激元可以同时激发多个螺旋粒子产生涡旋波，首次实现了涡旋波粒子的印刷。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器，包括介质基板，介质基板正面有共面波导，人工表面等离激元传输器，阿基米德螺旋粒子。介质基板正面覆有三条宽度相同的矩形金属条构成传统共面波导。在共面波导中间金属带上刻有周期性圆孔，构成人工表面等离激元传输器。同时，在上侧金属条的中间部分刻有周期性圆孔，将阿基米德螺旋臂组成的螺旋金属粒子放置在圆孔中，构成涡旋波生成结构。
作为本发明进一步的改进技术方案，基于半模基片集成波导和人工表面等离激元的带通滤波器还包括输入端口和输出端口，输入端口和输出端口分别与所述共面波导的两端相连。
作为本发明进一步的改进技术方案，所述周期性圆孔的周期相同，半径相同。
作为本发明进一步的改进技术方案，所述螺旋金属粒子包含6个相同的阿基米德螺旋臂，中间设有一个圆形金属片将6个阿基米德螺旋臂连成一个整体。
作为本发明进一步的改进技术方案，所述介质基板为聚四氟乙烯。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器通过基于共面波导的人工表面等离激元传输结构激发粒子产生涡旋波，没有较大的转换结构，尺寸紧凑，易于集成；
本发明的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器，在人工表面等离激元传输结构的上侧设有阿基米德螺旋粒子，产生涡旋波，结构简单，制作方便，降低了生产成本；
本发明的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器，首次实现了螺旋粒子的印刷，即可以同时激发多个粒子产生涡旋波。
附图说明
图1为本发明实施例1中的人工表面等离激元传输结构的结构示意图；
图2为本发明实施例1中的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器的结构示意图；
图3为本发明实施例1中的阿基米德螺旋粒子的结构示意图；
图4为本发明实施例1中的涡旋波生成器的S参数；
图5为仿真的近场结果——电场分布和相位分布。
以上图1-2中，1-介质基板；2-共面波导；3-人工表面传输器；4-阿基米德螺旋粒子。
具体实施方式：
下面参照附图对本发明做进一步描述。
实施例1
图1所示为基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器中的人工表面等离激元传输部分，包括介质基板1，介质基板1为聚四氟乙烯，介质基板1正面中间具有三条宽度相同的矩形金属带，构成传统共面波导2。在共面波导2的中间金属带具有一排周期性圆孔，构成人工表面等离激元传输器3，其中，周期性圆孔的周期相同，半径相同。如图2所示，在上述人工表面等离激元传输器的基础上，将共面波导2的上侧金属带的中间部分开周期性圆孔，其中，周期性圆孔的周期相同，半径相同。将阿基米德螺旋臂组成的螺旋金属粒子4放置在圆孔中，构成涡旋波生成结构。
上述矩形金属带和螺旋粒子均使用金属铜，矩形金属带的厚度为0.018mm，长度为89mm，宽度为4.4mm，金属带之间的间隙为0.1mm；周期性圆孔半径为1.95mm，周期为5mm；介质基板为f4b聚四氟乙烯，介电常数2.65，损耗正切0.0015，介质基板的长度为89mm，宽度为13.4mm，厚度为0.5mm。
如图3所示，螺旋粒子由6个相同的阿基米德螺旋臂组成，并且中间设有一个圆形金属片将6个阿基米德螺旋臂连成一个整体。其中阿基米德螺旋臂由CST微波工作室中的planar circular spiral-rectangular cross section构建，设置如下:高度为0.018mm，内半径为0.05mm，宽度为0.13mm，匝数为1匝，间隙为1.5mm。中间圆形金属片的半径为0.2mm，厚度为0.018mm。
如图4所示为上述涡旋波生成器的S参数，可以看出，在16GHz之前，该生成器具有很好的低通特性。在8.7GHz处，插入损耗增大，为1.8dB左右。这说明螺旋粒子的谐振并不会显著抑制人工表面等离激元的传输。
图5显示了8.7GHz时金属粒子上方0.5mm处x-y平面的近场分布情况。(a)为其Ez分量的近场幅值分布情况，这是一个周期内不同时间的四张快照。可以清楚地看出，4个螺旋粒子同时产生顺时针旋转的涡旋。(b)为其Ez分量的近场相位分布情况，可以看出，螺旋粒子的中心处相位发生了2π的变化，表明所产生的涡旋波携带有拓扑电荷l＝1的轨道角动量。
综上所述，本发明提供了一种基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子的涡旋波生成器，利用人工表面等离激元和同时激发多个阿基米德螺旋粒子，产生近场涡旋波。具有尺寸紧凑，易于集成，结构简单，制作方便，降低了生产成本的优点。同时，首次实现了螺旋粒子的印刷，即可以激发粒子同时产生多个涡旋波，在微波波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的应用前景。

Claims (5)

1.基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器，其特征在于，包括介质基板，介质基板正面覆有三条宽度相同的矩形金属条构成传统共面波导；在共面波导中间金属带上刻有周期性圆孔，构成人工表面等离激元传输器；上侧金属条的中间部分刻有周期性圆孔，圆孔中具有阿基米德螺旋臂组成的螺旋金属粒子，构成涡旋波生成结构。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器，其特征在于，还包括输入端口和输出端口，输入端口和输出端口分别与所述共面波导两端相连。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器，其特征在于，所述周期性圆孔的周期相同，半径相同。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器，其特征在于，所述螺旋金属粒子包含6个相同的阿基米德螺旋臂，中间设有一个圆形金属片将6个阿基米德螺旋臂连成一个整体。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和阿基米德螺旋粒子涡旋波生成器，其特征在于，所述介质基板为聚四氟乙烯。
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