CN113032966A - 一种表面等离子激元吸波器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面等离子激元吸波器的设计方法，包括：采用Vivaldi渐变开槽产生SPP信号，通过共面波导CPW馈电结构将SPP信号耦合至梳状本征结构，并沿着梳状本征结构传输，在接收端采用Vivaldi渐变开槽接收。采用氧化铟锡ITO作为SPP吸收单元的基本结构，通过调控色散特性和阻抗特性，使SPP吸收单元的波矢与SPP信号波矢匹配、SPP吸收单元与SPP信号阻抗匹配；用于吸收传输过程中的SPP信号。本发明采用SPP激发和接收器生成宽带SPP信号，采用氧化铟锡(ITO)结构单元设计SPP吸波结构，该吸波结构通过调节ITO的几何尺寸来改善其传输波矢，使得激发的SPP信号可以无散射、稳定传输，而通过改变ITO结构的电导率参数，实现波阻抗匹配，由此实现SPP信号的完美吸收。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息与隐身技术领域，更具体的涉及一种表面等离子激元吸波器的设计方法。
背景技术
表面等离子激元(Surface plasmon polaritons，SPP)是指在介质/金属分界面上，电磁波的光量子与金属中的自由电子之间相互干涉而形成的一种亚波长本征电磁模式。SPP具有很强的局域场特性，并且其电场和磁场幅值在交界面两侧均呈现指数衰减。SPP独特的电磁特性使其在光子学、增强拉曼效应、光波导、等离子集成器件等领域具有非常重要的应用价值。金属界面的SPP模式只存在于光频段，但由于光频段折射率虚部很大，导致本征SPP传输损耗很大，传输距离很短，为了深入研究SPP的物理机制，同时减小传输损耗，科学家们利用超构表面将等离子频率降低至低频段，如THz或GHz，即所谓的SpoofSPP模式，由于该模式与SPP模式电磁特性基本一致，因此也称为SPP效应。
近年来，围绕SPP激发、传输和模式调控，科学家们进行了长期的理论和实验研究，取得了一系列的研究成果。如复旦大学Zhou等人率先采用线性梯度超构表面将传输波转化为SPP波，建立了传输波与表面波的联系，最近，该课题组又采用超薄透射超构表面来高效激发SPP，解决了耦合效率与电磁波宽度的矛盾。Cui等设计了宽度SPP激发器，并且厚度很薄，可以进行共形处理。然而，SPP信号并不总是有用的，有些SPP信号会破坏天线等的辐射特性以及器件的散射特性，尤其在隐身领域，当空间中的电磁波以大入射角度照射到金属表面时，会在金属表面激发出沿分界面传播的爬行波，这类爬行波在碰到金属与空气交界面后发生强烈反射，这部分反射会显著增强隐身物体的RCS，进而影响隐身效果。
发明内容
本发明实施例提供一种表面等离子激元吸波器的设计方法，用以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明实施例提供一种表面等离子激元吸波器的设计方法，包括：
设计SPP激发和接收器：采用Vivaldi渐变开槽产生SPP信号，通过共面波导CPW馈电结构将SPP信号耦合至梳状本征结构，并沿着梳状本征结构传输，在接收端采用Vivaldi渐变开槽接收；
设计SPP吸收单元：采用氧化铟锡ITO作为SPP吸收单元的基本结构，通过调控色散特性和阻抗特性，使SPP吸收单元的波矢与SPP信号波矢匹配、SPP吸收单元与SPP信号阻抗匹配；用于吸收传输过程中的SPP信号。
进一步地，Vivaldi渐变开槽、梳状本征结构均印刷在εr＝2.65+0.01i的F4B介质板上，介质板厚度为0.2mm。
进一步地，所述SPP激发和接收器的宽度w＝50mm，长度l＝122mm。
进一步地，SPP梳状本征结构的金属线宽为k2＝1mm，线高为k1＝1.5mm，线间距为k3＝1mm。
进一步地，Vivaldi渐变开槽发射端宽度为d1＝12.5mm，长度为d2＝35mm，渐变槽线宽度s＝4mm，Vivaldi渐变开槽接收端宽度d3＝35mm，长度为d4＝52.5mm。
进一步地，所述SPP激发和接收器的频带范围为8-18GHz。
进一步地，所述SPP吸收单元为双层工字形结构，且置于梳状本征结构正上方。
进一步地，所述SPP吸收单元采用ITO材质刻蚀在厚度为0.175mm的涤纶树脂PET介质板上，介电常数为3。
进一步地，所述SPP吸收单元的工字形结构臂长l1选取为4mm、两臂中间的距离l2＝1mm，x方向的周期px＝2mm，y方向的周期py＝5mm。
进一步地，所述SPP吸收单元的方阻为50Ω/sq。
本发明实施例提供一种表面等离子激元吸波器的设计方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明采用SPP激发和接收器生成宽带SPP信号，采用氧化铟锡(ITO)结构单元设计SPP吸波结构，该吸波结构通过调节ITO的几何尺寸来改善其传输波矢，使得激发的SPP信号可以无散射、稳定传输，而通过改变ITO结构的电导率参数，实现波阻抗匹配，由此实现SPP信号的完美吸收。
附图说明
图1a为本发明实施例提供的SPP激发和接收工作示意图；
图1b为本发明实施例提供的加载了ITO结构的SPP吸波器件工作示意图；
图2a为本发明实施例提供的SPP激发和接收器的结构及参数设置；
图2b为本发明实施例提供的SPP激发器的反射性能与传输性能，17GHz处SPP激发器的能流密度；
图2c为本发明实施例提供的SPP激发器的反射性能与传输性能，17GHz处激发器表面的电场分布；
图2d为本发明实施例提供的SPP激发器的色散曲线；
图3a为本发明实施例提供的超构表面吸波体的单元结构；
图3b为本发明实施例提供的吸波体的色散曲线随l1的变化趋势；
图3c为本发明实施例提供的吸波体的ITO方阻改变时表面波的反射性能变化趋势；
图3d为本发明实施例提供的表面波传输性能随ITO方阻的变化趋势；
图4a为本发明实施例提供的SPP激发和接收器的端口反射仿真与测试性能；
图4b为本发明实施例提供的SPP激发和接收器的端口反射仿真与测试性能；SPP激发和接收器的传输幅度仿真与测试结果；插图为加工的SPP激发和接收器实物；
图4c为本发明实施例提供的加载吸波体后，SPP激发和接收器的端口反射仿真与测试性能；
图4d为本发明实施例提供的加载表面波吸波体后，测试系统的传输幅度仿真与测试性能，插图为加载了吸波结构的实物照片；
图5a为本发明实施例提供的第一种加载吸波体后，SPP激发和接收器表面的电场与能流分布；
图5b为本发明实施例提供的第二种加载吸波体后，SPP激发和接收器表面的电场与能流分布；
图5c为本发明实施例提供的加载吸波体前后，SPP激发器在+z方向的散射水平变化；
图5d为本发明实施例提供的加载吸波体前后，电磁能量在-z方向散射性能的变化；
图5e为本发明实施例提供的第一种加载吸波体的SPP激发器与未加载吸波体的SPP激发器在xoz面的能流分布情况；
图5f为本发明实施例提供的第二种加载吸波体的SPP激发器与未加载吸波体的SPP激发器在xoz面的能流分布情况。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种表面等离子激元吸波器的设计方法，该方法包括：
步骤1，设计SPP激发和接收器：采用Vivaldi渐变开槽产生SPP信号，通过共面波导CPW馈电结构将SPP信号耦合至梳状本征结构，并沿着梳状本征结构传输，在接收端采用Vivaldi渐变开槽接收。
步骤2，设计SPP吸收单元：采用氧化铟锡ITO作为SPP吸收单元的基本结构，通过调控色散特性和阻抗特性，使SPP吸收单元的波矢与SPP信号波矢匹配、SPP吸收单元与SPP信号阻抗匹配；用于吸收传输过程中的SPP信号。
该吸波器的工作原理见图1。首先设计一种高效SPP激发与接收装置，用于生成宽带SPP信号，见图1a；然后采用氧化铟锡(ITO)结构单元设计SPP吸波结构，该吸波结构通过调节ITO的几何尺寸来改善其传输波矢，使得激发的SPP信号可以无散射、稳定传输，而通过改变ITO结构的电导率参数，实现波阻抗匹配，由此实现SPP信号的完美吸收。
宽带SPP激发和接收器设计：
为了实现对SPP的高效吸收，首先需要设计性能优良的SPP激发与接收装置。如图2a所示，这里采用Vivaldi渐变开槽装置产生SPP信号，然后通过共面波导(CPW)馈电结构将其耦合至SPP梳状本征结构，沿着梳状本征结构稳定传输，在另一端采用Vivaldi渐变开槽共面波导接收，为了保证所有的SPP信号均被有效接收，将接收端的Vivaldi渐变开槽扩大，Vivaldi渐变开槽装置、梳状本征结构均印刷在εr＝2.65+0.01i的F4B介质板上，介质板厚度为0.2mm。激发器的宽度w＝50mm，长度l＝122mm，Vivaldi渐变开槽装置发射端宽度为d1＝12.5mm，长度为d2＝35mm，渐变槽线宽度s＝4mm，Vivaldi渐变开槽装置接收端宽度d3＝35mm，长度为d4＝52.5mm。SPP梳状本征结构的金属线宽为k2＝1mm，线高为k1＝1.5mm，线间距为k3＝1mm。
在完成SPP激发和接收器的设计之后，对其性能进行了一系列仿真。首先仿真该装置的SPP激发特性。由图2b可知，在8-18GHz频带范围内SPP激发器具有良好的传输特性，其传输幅度|S21|始终优于-1dB，而反射幅度|S11|参数则低于-10dB，说明在该频段内，电磁能量从发射端高效地传输到接收端，图2b中的插图给出了17GHz处的能流分布，可以看到能量在传输过程中几乎没有损耗，非常稳定；图2c给出了17GHz处，SPP激发和接收装置表面的电场分布，可以看到在梳状本征结构上，形成了局域规则且稳定传输的SPP信号，工作频带内梳状本征结构上均存在类似的局域信号分布。通过测量不同频率处SPP信号波矢量值，可以得到SPP激发和接收装置的色散曲线，见图2d所示，这一色散曲线将给之后吸波体的设计提供参照依据。通过分析，设计的SPP激发和接收装置可以在8-18GHz范围内高效的产生SPP信号，为后续吸波器的研制提供了稳定的SPP激发信号。
SPP吸收单元设计：
SPP激发和接收装置可以产生稳定宽带的SPP信号，如何让SPP信号在传输过程中完美的被吸收掉，需要设计合适的吸收单元结构。要实现对SPP信号能量的高效吸收，吸收单元需要满足两个条件，一是吸收单元的波矢要与激发的SPP信号波矢匹配，这样保证SPP传输过程不散射、不反射；二是吸收单元要与SPP信号阻抗匹配，保证SPP能量在传输过程中被不停耗散。
首先，考虑吸波单元的波矢匹配问题。采用超构表面结构作为吸波体的基本结构形式。超构表面作为一种二维周期性结构，其波矢量与其超构单元支持的电磁场本征模式有关。因此通过调整吸波体单元的几何结构，就能改变单元的谐振模式，进而调整超构表面的波矢量。这里提出了双层工字形结构，见图3a，双层结构置于梳状本征结构正上方，双层工字形结构分别采用ITO材质刻蚀在厚度为0.175mm的涤纶树脂(PET)介质板上，其介电常数为3。调整结构参数，可以对吸波体的色散特性进行调控。图3b绘制了吸波体的色散曲线随H型结构的臂长l1变化而变化的趋势，可以发现当l1＝4mm时，吸波体的色散曲线与SPP激发器的色散曲线吻合最好，因此将H型结构臂长l1选取为4mm。采用类似方法，精心优化结构参数为：两臂中间的距离l2＝1mm，x方向的周期px＝2mm，y方向的周期py＝5mm。
其次，考虑单元阻抗匹配问题。当改变ITO的方阻时，吸波器会具有不同的SPP吸收效应，结果如图3c和图3d所示。可以看出，当ITO的方阻分别为50Ω/sq、100Ω/sq与150Ω/sq时，对于反射特性影响不大，其反射参数均保持在-10dB以下，证明SPP吸波结构反射很小，这说明了SPP的反射性能仅由波矢量匹配决定，而阻抗并不能影响反射性能，这与之前的分析吻合良好。而ITO方阻对吸波器的传输性能影响很大，说明结构中ITO的阻抗值影响着吸波体的吸收性能，当ITO方阻为50Ω/sq时，其吸收性能达到最佳，进一步减小方阻值，高频处的传输性能会急剧恶化，因此最终将吸波体中ITO结构的阻抗值确定为50Ω/sq。
SPP吸收器的性能仿真：
完成了表面波吸波超构表面的设计之后，对其性能采用CST软件进行了仿真，并采用传统的PCB技术进行了加工，然后使用矢量网络仪对其传输和反射参数进行了测试。加工的样品见图4b和图4d中的插图部分。首先对不加载吸波器的SPP激发和接收装置进行仿真和测试，测试时将加工器件两端连接在ME7808A型矢量网络分析仪端口，结果见图4a，可以看出，仿真和测试均在8-18GHz范围内实现了-10dB以下的反射特性，且两者在低频吻合良好。而在高频，测试反射幅度略有提高，这主要是由于采用的SMA接头在高频处匹配不佳造成的。对于传输参数，仿真和测试结果见图4b，低频处两者吻合良好，高频测试部分传输系数下降，依然由接头不匹配引起的反射和吸收效应引起。其次对加载吸波结构的器件进行反射和传输性能的仿真和测试。由图4c可以看出，加载了吸波结构的SPP器件，其反射性能与未加载吸波结构基本保持一致，均保持了较低的反射率(低于-10dB)，说明吸波结构的加载并未破坏SPP激发和传输器件的阻抗匹配特性，也验证了吸波结构与激发的SPP实现了阻抗匹配。对于传输特性，加载吸波结构后，传输特性急剧下降，说明大部分激发的SPP能量被吸波结构耗散掉，在8-18GHz范围内传输系数均低于-10dB。
为了进一步验证激发的SPP信号被吸波结构吸收，而并非散射至其他方向和角度，分别对不同方向、不同位置接收的信号能量进行仿真，结果见图5。首先，仿真了17GHz处xoy平面内的电场和能量分布，分别见图5a和图5b。可见由SPP激发和接收器产生的本征SPP信号基本全部进入吸波体，并在进入吸波体之后迅速衰减，这一现象证明了吸波体设计的有效性。然后，仿真分析加载与未加载吸波结构情况下器件在z轴方向SPP的散射能量。图5c与5d分别提取了加载吸波体前后，器件的发射端口与上下表面之间的电压传输系数。可见在有效工作频带内，加载吸波体后能量的散射水平相比未加载前有一定程度的提高，但是其散射皆水平低于-35dB，几乎可以忽略不计，并不会对吸波体的工作性能造成不利影响。最后，仿真分析17GHz处xoz平面上加载吸波结构前后SPP的散射能量对比，结果见图5e和图5f。可以看到虽然在加载吸波体后，在z轴上，能量呈现快速衰减趋势，进一步验证了能量被大量吸收，同时也可以看到有一小部分能量被散射至自由空间，这是由于吸波体与SPP之间微弱的波矢量失配造成的，但这些能量水平很低。综合以上分析，可以发现加载吸波体后，SPP在反射、散射以及传输通道上的能量水平都被有效抑制，说明表面波携带的大部分能量都被吸波体所吸收，证实了该设计的有效性。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，包括：
设计SPP激发和接收器：采用Vivaldi渐变开槽产生SPP信号，通过共面波导CPW馈电结构将SPP信号耦合至梳状本征结构，并沿着梳状本征结构传输，在接收端采用Vivaldi渐变开槽接收；
设计SPP吸收单元：采用氧化铟锡ITO作为SPP吸收单元的基本结构，通过调控色散特性和阻抗特性，使SPP吸收单元的波矢与SPP信号波矢匹配、SPP吸收单元与SPP信号阻抗匹配；用于吸收传输过程中的SPP信号。
2.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，Vivaldi渐变开槽、梳状本征结构均印刷在εr＝2.65+0.01i的F4B介质板上，介质板厚度为0.2mm。
3.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，所述SPP激发和接收器的宽度w＝50mm，长度l＝122mm。
4.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，SPP梳状本征结构的金属线宽为k2＝1mm，线高为k1＝1.5mm，线间距为k3＝1mm。
5.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，Vivaldi渐变开槽发射端宽度为d1＝12.5mm，长度为d2＝35mm，渐变槽线宽度s＝4mm，Vivaldi渐变开槽接收端宽度d3＝35mm，长度为d4＝52.5mm。
6.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，所述SPP激发和接收器的频带范围为8-18GHz。
7.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，所述SPP吸收单元为双层工字形结构，且置于梳状本征结构正上方。
8.如权利要求7所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，所述SPP吸收单元采用ITO材质刻蚀在厚度为0.175mm的涤纶树脂PET介质板上，介电常数为3。
9.如权利要求7所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，所述SPP吸收单元的工字形结构臂长l1选取为4mm、两臂中间的距离l2＝1mm，x方向的周期px＝2mm，y方向的周期py＝5mm。
10.如权利要求1所述的表面等离子激元吸波器的设计方法，其特征在于，所述SPP吸收单元的方阻为50Ω/sq。
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| Title |
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| TAOWU DENG .ETC: ""High-performance meta-absorber for the surface wave under the spoof surface plasmon polariton mode"", 《OPTICS EXPRESS》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114069180A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-02-18 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 基于sspp的二次多项式正弦过渡结构 |
| CN114069180B (zh) * | 2021-11-29 | 2024-02-27 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 基于sspp的二次多项式正弦过渡结构 |
| CN114914652A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-16 | 西安工业大学 | 中心金属条溅射ITO薄膜均衡滤波SSPPs传输线及滤波器 |
| CN114914652B (zh) * | 2022-05-30 | 2024-03-29 | 西安工业大学 | 中心金属条溅射ITO薄膜均衡滤波SSPPs传输线及滤波器 |
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