CN114279478A - 一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，由上自下包括金属层、介质基板和接地板；所述金属层包括人工表面等离激元传输线、局域表面等离激元谐振器、两个散射体；所述两个散射体用于构造非厄米奇异点系统；所述局域表面等离激元谐振器将人工表面等离激元波限制在局域表面等离激元谐振器附近，用于增强局域电磁场；本发明利用人工表面等离激元传输线，有效提高了传输线与局域表面等离激元谐振器之间的耦合强度，使得人工表面激元波在局域表面等离激元谐振器上高效传输。与传统的微波传感器相比，克服传统传感器在微小样本检测时检测极限较大和灵敏度较低的问题，对周围介质检测更加敏感，能够实现微小样本高灵敏度的传感。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种人工表面等离激元传输线激励传感器，特别涉及一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，可广泛应用于传感器、微波测量、生物化学检测等领域。
背景技术
表面等离激元是金属表面自由电子在相应的共振波长的电磁波的激发下的集体振荡，在振荡的过程中与电磁波之间发生相互作用而产生了一些奇特特性。人工表面等离激元是通过调节金属表面周期凹槽或孔洞结构参数来调整其色散特性，从而能够使在更低频率的微波或者太赫兹频段激发表面等离激元，并将其紧密束缚在结构表面，控制电磁波的传输。人工表面等离激元传输线与微带线和共面波导相比，具有更低的衰减常数。由于其结构尺寸小，并且对电磁波的高效激励和易操作控制的特点，在各个工程技术方面得到了广泛的应用，例如高效传输线、毫米波天线、滤波器、功分器等新型器件，具有很大的研究潜力。
非厄米系统是指具有增益或损耗或开放边界条件的系统，其物理量可用非厄米算符进行描述，非厄米算符的本征值一般是复数。与厄米系统相比，本质区别在于非厄米系统存在奇异点(EP)。由于非厄米系统奇异点处的两个或两个以上的本征值和本征态会发生简并，所以在奇异点附近的参数空间会存在一些奇特的物理特性，在单向传输、激光模式选择、拓扑手性和超灵敏传感等光学领域具有重要应用，在微波频段少有涉及。
在微波传感器中，一般是采用观察频率偏移量的多少的方法来观察待测物体所引起的变化，但是这种方法存在测量的不稳定性和由于环境因素等影响造成的结果不准确。在传统的传感器中，也就是在“狄拉克点”系统中，只存在本征值简并而本征态正交。由于待测样本会对系统产生一定的扰动ε，其造成频率分裂值与ε成正比的关系，这就造成对于微小样本检测而言，存在灵敏度较低的缺点。现有传感器所针对的测量物体大小一般为厘米级别甚至更大，存在一定对于待测样本的浪费。并且传统传感器由于微小物体检测极限过高，检测不出微小的变化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，能够实现微小样本高灵敏度的测量、传感。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，由上至下包括金属层、介质基板和接地板；所述金属层包括人工表面等离激元传输线、局域表面等离激元谐振器、两个散射体；
所述人工表面等离激元传输线为轴对称结构，其包括梳状波导、位于梳状波导两端的两个共面波导和梯形转换结构；
所述梳状波导采用单边开槽的方式，包括第一开槽结构，以及位于第一开槽结构两端的第二开槽结构；所述第一开槽结构包括若干槽深相同的第一开槽单元，其第三开槽深度与结构的截止频率有关；所述第二开槽结构包括槽深呈渐变的若干第二开槽单元，负责槽线内信号向人工表面等离激元模式匹配过渡；所述第一开槽结构的两端接第二开槽结构的较大槽深端；
作为优选，所述第二开槽结构内相邻第二开槽单元的槽深差值相等。
作为优选，所述梳状波导的两端分别连接一个梯形转换结构的较大端，两个梯形转换结构的较小端分别接一个共面波导的一端；两个共面波导的另一端作为输入输出端口；
所述梯形转换结构为宽度均匀渐变的过渡结构，负责共面波导和梳状波导的阻抗匹配。
所述两个共面波导的宽度满足50欧姆的特性阻抗。
作为优选，所述人工表面等离激元传输线能实现从传统导波到人工表面等离激元波的高效转换，表现出高透射系数和低反射系数。
所述局域表面等离激元谐振器位于所述梳状波导中间位置的开槽侧，其为开有若干第三开槽的金属圆盘；所述第三开槽沿金属圆盘的圆周分布；
作为优选，所述金属圆盘的外半径R2越大，波长越短，谐振频率越小。
作为优选，所述第三开槽的深度(R2-R1)满足表面等离激元波传输的关系，与传感器的谐振频率成反比；所述第三开槽的位于金属圆盘的圆周侧宽度Al满足2*Al＝Pl，其Pl表示第三开槽与金属圆盘外侧金属条的总宽度；其影响结构的散射特性。依据外半径R2和第三开槽周期Pl共同决定第三开槽数量。
所述局域表面等离激元谐振器将人工表面等离激元波限制在局域表面等离激元谐振器附近，用于增强局域电磁场。
所述局域表面等离激元谐振器要求满足在宽频段内存在多个谐振峰，能激发出多阶共振模式。
作为优选，所述局域表面等离激元谐振器与人工表面等离激元传输线间留有缝隙；
所述缝隙的宽度决定所述局域表面等离激元谐振器与人工表面等离激元传输线间耦合效率。
所述两个散射体位于局域表面等离激元谐振器的附近。
作为优选，所述散射体可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形结构；散射体的材质可以是金属或介质；
作为优选，散射体与局域表面等离激元谐振器可接触或不接触；
作为优选，两个散射体之间存在一定的角度。
所述两个散射体用于构造二阶的非厄米奇异点系统，形成两个本征值和本征态简并的效果，从而导致该系统在一定扰动的情况下，存在内部的反向散射和扰动两部分的影响，两者的联合贡献导致频率分裂值大大提高。
所述两个散射体角度β满足以下公式：
△WDP＝2ε；
其中△WEP表示奇异点(EP)的频率分裂值,△WDP表示“狄拉克点”(DP)的频率分裂值,A(2)表示二阶奇异点系统中的顺时针入射对逆时针入射的相干后向散射，m为多阶共振模式的模式数，ε为扰动量，由待测样本尺寸大小决定。
进一步地，所述两个散射体是区别于传统传感器的一个结构特点。奇异点的构造受到两个散射体的大小、位置及之间的角度的影响，只存在唯一的值才能满足奇异点的物理特性。寻找奇异点的方式一般是通过先固定一个散射体的位置和大小，然后去调节第二个散射体的位置和大小。当该结构的S参数和近场模式满足以下三个特征时表明该系统是非厄米奇异点系统：一是在工作频段内只存在一个谐振峰；二是在该谐振频点处存在不完全对称的反向散射；三是在该谐振频点处的电场模式是行波模式。
作为优选，待测样本放置在基于非厄米刻槽结构的微波传感器的散射最强位置处，其具体位置可在局域表面等离激元谐振器的相邻两个第三开槽间金属圆盘外侧金属条轴向方向平移。由于该结构属于六极子模式，存在多个周期，每个周期中散射最强的位置所达到的效果一致，可依据具体实际用途选择合适的位置。
所述径向方向平移的距离跟待测样本与结构之间的耦合效率有关，距离圆盘中心越近其造成的影响越大。
所述待测样本不局限于金属或介质，其检测效果与待测样本的介电常数有关。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明利用人工表面等离激元传输线，有效提高了传输线与局域表面等离激元谐振器之间的耦合强度，使得人工表面激元波在局域表面等离激元谐振器上高效传输。与传统的微波传感器相比，克服传统传感器在微小样本检测时检测极限较大和灵敏度较低的问题，对周围介质检测更加敏感，能够实现微小样本高灵敏度的传感。
附图说明
图1是本发明的俯视图以及参数标注图；
图2是本发明的S参数仿真曲线图；
图3是本发明表面放置待测样本时的结构示意图；
图4是本发明表面放置不同大小待测样本时奇异点(EP)的频率分裂值与“狄拉克点”(DP)的频率分裂值的关系示意图；
图5是本发明表面放置同一待测样本时奇异点(EP)与“狄拉克点”(DP)的灵敏度对比示意图；其中(a)为DP传感器的传输系数图，(b)为DP传感器表面放置待测样品时的传输系数图，(c)为EP传感器的传输系数图，(d)为EP传感器表面放置待测样品时的传输系数图。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示是本发明的俯视图，由上至下包括金属层、介质基板2和接地板；金属层包括局域表面等离激元谐振器1、两个散射体7、8，以及人工表面等离激元传输线3；人工表面等离激元传输线3包括共面波导4、梯形转换结构5和梳状波导6，其中梳状波导6包括若干槽深相同的第一开槽单元和12组槽深呈均匀渐变设置的第二开槽单元S1-S12，槽深从0.5mm到6mm依次递增，步长为0.5mm；所述第一开槽结构的两端接第二开槽结构的较大槽深端；所述梳状波导的两端分别连接一个梯形转换结构的较大端，两个梯形转换结构的较小端分别接一个共面波导的一端；两个共面波导的另一端作为输入输出端口；局域表面等离激元谐振器1位于所述梳状波导中间位置的开槽侧，其由小圆盘和带有沿圆周方向均匀分布的环形周期性第三开槽组成，其小圆盘半径R1为3mm，局域表面等离激元谐振器1的半径R2为9mm；环形周期性第三开槽宽度Al为0.47mm，其第三开槽周期Pl为0.94mm；两个散射体7,8位于局域表面等离激元谐振器1的附近。
本发明基于非厄米刻槽结构的微波传感器是双端口器件，左边为端口一，右边为端口二。金属层的厚度为0.018mm，中间介质层选取150×50×1mm3的F4B，介电常数为2.55，损耗角正切为0.001。两个散射体用于构造二阶的非厄米奇异点系统，形成两个本征值和本征态简并的效果。固定第一个散射体6位置不动，调节第二个散射体7的位置和长度，使其在合适的位置构成非厄米奇异点，其第一个散射体6和第二个散射体7的长度都为1.5mm，两者之间的夹角为25°，所设计结构整体尺寸较小。
如图2所示，基于非厄米刻槽结构的微波传感器的S参数仿真曲线图。该微波传感器的工作频段在6GHz至6.4GHz。端口1到端口2的传输系数和端口2到端口1的传输系数相同，且谐振频点是6.19GHz。由于构成奇异点的两个散射体的存在，破坏了原有结构的对称性，从而导致在谐振频点处端口1的反射系数与端口2的反射系数不同，在竖线标记处可以明显看出。也就是说沿顺时针方向激励的共振峰的幅值与逆时针方向激励的共振峰的幅值不相同，这是区别于传统传感器的一大特点。
如图3是本发明表面放置待测样本时的结构示意图。待测样本放置的位置为局域表面等离激元谐振器表面散射效果最强的位置，在此位置处基于非厄米刻槽结构的微波传感器所检测到目标散射体的频率分裂值最大。图中所示待测样本为圆形结构，材料为金属，其直径为0.7mm，远小于构成奇异点的两个散射体。
如图4所示，在图3所示待测样本的位置处，改变待测样本的直径，观察奇异点(EP)的频率分裂值(△WEP)与“狄拉克点”(DP)的频率分裂值(△WDP)与扰动量ε之间的对数关系。其中，DP的结构是图1中去除构造EP的两个散射体，其它部分结构保持一致，属于传统传感器。图中圆圈代表△WEP，叉表示△WDP，虚线和直线分别表示斜率为1和1/2的直线。当待测样本的直径从0.7mm变化到1.2mm，变化间隔为0.1mm时，从图中可以得知△WDP与ε成正比的关系，而△WEP与
有关。由于本发明构造的非厄米奇异点系统中存在两个本征值和本征态简并，所以△WEP和△WDP与ε之间的理论关系满足以下公式：
△WDP＝2ε；
其中△WEP表示奇异点(EP)的频率分裂值,△WDP表示“狄拉克点”(DP)的频率分裂值,ε为扰动量，A(2)表示二阶奇异点系统中的顺时针入射对逆时针入射的相干后向散射，m为系统的模式数，β为两个散射之间的夹角。
结合理论公式和图4，说明此结构的仿真值与理论值相一致，存在多个仿真点位于直线或虚线附近。在待测样本较小的情况下，即直径大小为0.7mm至0.9mm时，△WEP比△WDP要大。利用非厄米奇异点的原理，弥补了传统传感器检测不了微小样本的缺陷，在小扰动的情况下，基于非厄米刻槽结构的微波传感器体现了高灵敏度的优点。
如图5所示是本发明表面放置同一待测样本时奇异点(EP)传感器与“狄拉克点”(DP)传感器的灵敏度对比示意图。如图5(a)(c)所示，奇异点传感器和传统传感器在没有加待测样本时都是一个谐振峰。如图5(b)(d)所示，当两者表面放置直径为0.7mm的同样大小圆形结构待测样本并位于同一位置时，即图3结构示意图所示，与传统传感器相比，奇异点传感器的频率分裂值大大增加。奇异点传感器的频率分裂值为36.8MHz，而传统传感器的频率分裂值为19.2MHz，灵敏度约是传统传感器的1.9倍。
本发明采用人工表面等离激元传输线激励的方式，高效激励金属圆盘上的人工表面等离激元波，且这种人工表面等离激元谐振模式对于周围介质的变化非常敏感。通过利用非厄米系统奇异点这一奇特的物理特性，构造了一个能检测微小样本、高灵敏度的微波传感器。当周围介质大小发生改变时，所产生的谐振峰会发生频率分裂的现象，通过计算频率分裂值的大小，可以检测周围环境的变化，从而能够实现微小样本高灵敏度的传感。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，虽然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于由上至下包括金属层、介质基板和接地板；所述金属层包括人工表面等离激元传输线、局域表面等离激元谐振器、两个散射体；
所述人工表面等离激元传输线为轴对称结构，其包括梳状波导、位于梳状波导两端的两个共面波导和梯形转换结构；
所述梳状波导采用单边开槽的方式，包括第一开槽结构，以及位于第一开槽结构两端的第二开槽结构；所述第一开槽结构包括若干槽深相同的第一开槽单元，其第三开槽深度与结构的截止频率有关；所述第二开槽结构包括槽深呈渐变的若干第二开槽单元，负责槽线内信号向人工表面等离激元模式匹配过渡；所述第一开槽结构的两端接第二开槽结构的较大槽深端；
所述梯形转换结构为宽度均匀渐变的过渡结构，负责共面波导和梳状波导的阻抗匹配；
所述局域表面等离激元谐振器位于所述梳状波导中间位置的开槽侧，其为开有若干第三开槽的金属圆盘；所述第三开槽沿金属圆盘的圆周分布；所述局域表面等离激元谐振器将人工表面等离激元波限制在局域表面等离激元谐振器附近，用于增强局域电磁场；
所述两个散射体位于局域表面等离激元谐振器的附近，用于构造二阶的非厄米奇异点系统；所述两个散射体之间角度β满足以下公式：
△WDP＝2ε；
其中△WEP表示奇异点EP的频率分裂值,△WDP表示“狄拉克点”DP的频率分裂值,A(2)表示二阶奇异点系统中的顺时针入射对逆时针入射的相干后向散射，m为多阶共振模式的模式数，ε为扰动量，由待测样本尺寸大小决定。
2.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于所述第二开槽结构内相邻第二开槽单元的槽深差值相等。
3.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于所述梳状波导的两端分别连接一个梯形转换结构的较大端，两个梯形转换结构的较小端分别接一个共面波导的一端；两个共面波导的另一端作为输入输出端口。
4.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于所述第三开槽的深度(R2-R1)满足表面等离激元波传输的关系，与传感器的谐振频率成反比；所述第三开槽的位于金属圆盘的圆周侧宽度Al满足2*Al＝Pl，其Pl表示第三开槽与金属圆盘外侧金属条的总宽度。
5.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于所述局域表面等离激元谐振器要求满足在宽频段内存在多个谐振峰，能激发出多阶共振模式。
6.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于所述局域表面等离激元谐振器与人工表面等离激元传输线间留有缝隙；所述缝隙的宽度决定所述局域表面等离激元谐振器与人工表面等离激元传输线间耦合效率。
7.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于所述散射体为圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形结构；散射体的材质为金属或介质。
8.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于散射体与局域表面等离激元谐振器可接触或不接触。
9.如权利要求1所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于微波传感器的S参数和近场模式满足以下三个特征时：一是在工作频段内只存在一个谐振峰；二是在该谐振频点处存在不完全对称的反向散射；三是在该谐振频点处的电场模式是行波模式。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种基于非厄米刻槽结构的微波传感器，其特征在于测量时，待测样本放置在基于非厄米刻槽结构的微波传感器的散射最强位置处；所述待测样本不局限于金属或介质。
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|---|---|
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