CN104377417A - 一种螺旋形人工表面等离子场强增强器 - Google Patents

一种螺旋形人工表面等离子场强增强器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种螺旋结构的人工表面等离子场强增强器，包括传统的同轴波导，同轴波导到人工表面等离子波导的过渡波导，以及螺旋形人工表面等离子波导；其中，过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由深度递增的周期性螺旋型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口逐渐变大的喇叭天线实现；螺旋形人工表面等离子波导一部分由深度和宽度恒定、半径递减、周期变化的螺旋型凹槽阵列组成；另一部分是锥形顶端，由深度和半径同时减小且在锥点顶端变为零的螺旋形凹槽构成。本发明结构简单、尺寸紧凑、高效宽频带、场强增强倍数高，适合与传统微波或太赫兹传输电路匹配使用，可在微波或太赫兹成像、高分辨率医学内窥镜技术等领域实现广泛应用。

Description

一种螺旋形人工表面等离子场强增强器
技术领域
本发明涉及一种场强增强器结构，尤其涉及一种螺旋形人工表面等离子场强增强器结构。
背景技术
表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons，简称SPPs)，是存在金属与介质(通常是空气)界面上的一种电子和光子的混合激发态。SPPs是一种表面波，可以突破衍射极限，电磁场被约束在金属和介质界面附近的亚波长范围内，有很强的场增强效应。对于SPPs的研究曾一度被局限于光波段或是更高的频率上，由于SPPs的优良特性，若将表面等离子激元的概念推广到低频段(微波或太赫兹波段)，有助于获得高约束性的微波或太赫兹信号的导波技术，并将低频段的器件尺寸减小到亚波长量级以实现高度集成。但是由于金属的等离子频率一般都处于紫外波段，金属在低频段的介电常数很大，使得电磁波的趋肤深度很小，所以，在低频段，金属近似于理想导体(Perfect Electric Conductor,PEC)，从而使得SPPs在金属表面的场约束很差，无法在金属表面上实现有效传播，大大限制了SPPs在低频段的应用。近年来，有人提出在金属表面挖孔或刻槽的方法，不仅能增加电磁场在金属内的渗透能力，还可以实现场的亚波长约束，而且结构表面的等效等离子频率仅与表面结构的几何参数有关，从而可以在较低频率对SPPs进行工程设计。这种等离子体频率受表面几何结构控制的表面等离子体被称为人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，简称SSPPs)。其基本思想是在金属表面挖周期分布的孔洞，孔洞的尺寸和间隔都远小于波长，以增强电磁波的渗透作用，从而通过等效媒质的手段降低了金属表层的等离子频率。2005年，Hibbins等人在微波段证实了SSPPs现象，随后，Williams等人也在太赫兹波段验证了SSPPs的存在，为低频SPPs的发展和应用揭开了新的一页。自此SSPPs引起了研究者的极大兴趣。
目前光滑的金属线被认为是最好的太赫兹波导之一。这种导波具有低损耗和低色散的优点，但是约束较差。因此，Maier等人把SSPPs的概念推广到了金属线的几何位形上，理论上证明了在理想导线上沿长度方向刻周期性分布的亚波长环型凹槽，可以传输SSPPs，并实现场的亚波长约束，从而实现微波或太赫兹波的局域增强效应，为周期性金属线结构在微波或太赫兹成像，高分辨率医学内窥镜技术、生物检测、国家安全、食品和农产品质量控制、全球环境检测和信息与雷达通信技术等领域的应用开拓了广阔的前景。
一直以来，空间导波到SPPs的转换被广泛地研究，如通过棱镜耦合或衍射光栅。但对于如何将空间导波高效地转换成SSPPs的研究甚少。2013年，东南大学提出了一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换的结构，它由传统的共面波导和“牙齿型”超薄周期性结构金属条带等离子波导构成，两者之间设计了沟槽深度渐变的匹配过渡带。匹配过渡部分实现了共面波导和等离子波导的波矢匹配和阻抗匹配，此结构在微波段实现了从导波到Spoof SPPs之间的高效率和宽频段转换，为等离子功能器件和电路在微波段的高度集成开创了应用前景。然而，考虑到超薄“牙齿型”等离子波导和金属线型等离子波导传输电磁场形式的区别，上述方案将不再适用。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面在理想导线上沿长度方向刻周期性分布的亚波长环型凹槽的方法实现SSPPs传输，另一方面采用空间导波到SSPPs的高效转换的思想，设计出了一种螺旋形人工表面等离子场强增强器，其特征在于：包括传统的同轴波导和同轴波导到螺旋形人工表面等离子波导的过渡波导，以及螺旋形人工表面等离子波导；
其中，过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由深度递增的周期性螺旋型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口逐渐变大的喇叭天线实现；螺旋形等离子波导由两部分组成，第一部分是深度和宽度恒定、内半径递减、周期变化的螺旋型凹槽阵列，第二部分是锥形顶端，由深度和半径同时减小且在锥点顶端变为零的螺旋形凹槽构成。
在结构的顶端设计是锥形顶端，锥形顶端上刻有内半径渐变至零的螺旋型凹槽，使得螺旋型凹槽阵列到结构的顶端有良好的过渡。该结构不仅充分利用SSPPs较强的场约束效应，同时利用了锥形结构的聚焦特性，进而在结构的顶点处能实现高效聚焦功能。
本发明可以根据同轴波导的类型和尺寸来调节过渡波导和螺旋形等离子波导的结构尺寸，从而实现微波段或太赫兹波段空间导波到SSPPs高效和宽频带转化，进而达到微波或太赫兹频段场强增强的效应，实现人工表面等离子超材料更为广泛的应用。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明主要提出一种螺旋形人工表面等离子场强增强器结构，包含传统的同轴波导和同轴波导到螺旋形人工表面等离子波导的过渡波导，以及螺旋形等离子波导结构。这种结构一方面借鉴共面波导到人工表面等离子波导转化结构的设计思想，内导体利用深度递增的螺旋型凹槽结构来实现同轴波导和人工表面等离子波导之间的波数匹配，同时外导体采用喇叭天线渐变来实现同轴波导和人工表面等离子波导之间的阻抗匹配，从而实现空间导波到SSPPs的高效转化；另一方面，利用人工表面等离子波导的可调谐色散特性，提出半径渐变的螺旋形等离子波导来实现场强的高度聚焦能力。这种立体结构能实现信号的高效输入和场强的高度聚焦，以及在微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性。
2.结构简单：结构包含传统的同轴波导、同轴波导到螺旋形人工表面等离子波导的过渡波导，以及螺旋形人工表面等离子波导结构。人工表面等离子波导是刻有周期性螺旋型凹槽的金属线，构造简单，方便加工，且不易断裂。
3.创新性强，技术前瞻性好：本发明在微波或太赫兹频段实现了电磁波的高度聚焦和高效传输，创新性强，国内外未见此类结构；其可很好的与传统微波传输线配合使用，便于集成到微波电路中，拓展了人工表面等离子器件的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
4.场强增强系数大、频带宽：本发明最终可以实现人工表面等离子场强增强器的终端场强的高度聚焦。在10GHz～35GHz范围内，在圆锥形等离子结构的顶点处的场强可以达到信号源入射端口处场强的30多倍。
5、应用范围广泛：本发明可在微波或太赫兹成像，高分辨率医学内窥镜技术、生物检测、国家安全、食品和农产品质量控制、全球环境检测和信息与雷达通信技术等领域实现广泛应用。
附图说明：
图1是实施例一的主视图；
图2(a)是实施例二的同轴波导部分的左视图；
图2(b)是实施例二的过渡部分的内、外导体图；
图2(c)是实施例二的的螺旋形人工表面等离子波导区域III结构图；
图2(d)是实施例二的的螺旋形人工表面等离子波导区域IV结构图；
图3是实施例二过渡波导螺旋型凹槽阵列的凹槽深度的变化对其色散特性的影响曲线图；
图4是实施例二等离子波导螺旋型凹槽阵列的半径的变化对其色散特性的影响曲线图；
图5是实施例二的观察点处场强幅值随频率变化曲线图；
图6是观察点2和观察点1的场强幅值比值随频率变化曲线图。
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
实施例一
如图1所示，场强增强器由三个部分组成。第一部分(区域I)为传统的同轴波导，作为信号的输入端；第二部分(区域II)为过渡波导，包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由深度递增的周期性螺旋型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口逐渐张大的喇叭天线实现；第三部分(区域III和区域IV)，是螺旋形人工表面等离子波导：区域III为螺旋形人工表面等离子波导的第一部分，是深度和宽度恒定、内半径递减、周期变化的螺旋型凹槽阵列，区域IV是螺旋形人工表面等离子波导的第二部分，是由深度和内半径同时减小且在锥点顶端变为零的螺旋形凹槽构成的锥形顶端。过渡波导和螺旋形离子波导的结构尺寸参数可根据同轴波导的类型和尺寸来调节，与同轴波导参数(如波导类型、波导长度、波导横截面尺寸等)相匹配。
实施例二
以如图2(a)所示结构为例，区域I为传统的同轴波导，单个总长L1＝10毫米，波导内导体外径2R1＝7毫米，外导体内径2R2＝16毫米，壁厚t＝1毫米。同轴波导作为导波信号的输入端。
过渡波导与同轴波导连接，起到将空间波高效地转化为SSPPs信号的作用。如图2(b)所示，过渡波导区域II包括内导体和外导体过渡。内导体过渡螺旋型凹槽阵列的渐变深度从h1＝0毫米均匀增加到h2＝1毫米，螺旋型凹槽阵列的其余部分保持渐变的最终深度h2，内导体过渡螺旋型凹槽阵列的外径保持2R1不变，用来实现同轴波导和人工表面等离子波导之间的波数匹配，环型凹槽深度的变化对其色散特性的影响如图3所示。外导体的喇叭天线渐变内径从2R2＝16毫米按锥角a＝10°递增，到达过渡波导的总长度处结束，厚度为t＝1毫米，用来实现同轴波导和人工表面等离子波导之间的阻抗匹配，过渡波导内相邻两个螺旋型凹槽的水平周期间距p＝3毫米，凹槽宽度为a＝1.5毫米，过渡波导的总长度为L2＝30毫米。
螺旋形等离子波导作为SSPPs信号增强传输的载体。如图2(c)所示，第一部分(区域III)的螺旋形等离子波导，导体内半径从r1＝2.5毫米均匀减小到r2＝0.2毫米，r1为过渡波导终点处内导体过渡螺旋型凹槽的内半径；相邻两个螺旋型凹槽的水平周期距离值为p＝3毫米，凹槽宽度为a＝1.5毫米，深度为h2＝1毫米，均保持不变，长度L3＝63毫米。如图2(d)所示，第二部分(区域IV)是锥形顶端，由深度从h2、内半径从r2同时减小且在锥点顶端变为零的螺旋形凹槽构成，长度L4＝10毫米。螺旋型凹槽半径的变化对其色散特性的影响如图4所示。该实施例场强增强器总长度为113毫米。
根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图5所示的场强增强效能，在10GHz～35GHz范围内，在螺旋形人工表面等离子结构的顶点处(观察点2)的场强可达到同轴线入射端口处(观察点1)场强的30多倍，如图6所示。

Claims (4)

1.一种螺旋形人工表面等离子场强增强器，其特征在于：包括传统的同轴波导和同轴波导到人工表面等离子波导的过渡波导，以及螺旋形人工表面等离子波导；
其中，过渡波导包括内导体和外导体过渡，内导体过渡由深度递增的周期性螺旋型凹槽阵列实现，外导体过渡由开口逐渐变大的喇叭天线实现；螺旋形等离子波导由两部分组成，第一部分是深度和宽度恒定、内半径递减、周期变化的螺旋型凹槽阵列，第二部分是锥形顶端，由深度和半径同时减小且在锥点顶端变为零的螺旋形凹槽构成。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋形人工表面等离子场强增强器，其特征在于：过渡波导中，内导体过渡的螺旋型凹槽阵列渐变采用深度从h1开始均匀递增到h2，螺旋型凹槽阵列相邻两个凹槽的水平周期距离为p，凹槽宽度为a；外导体过渡的喇叭天线渐变采用内径从2R2按照锥角a平滑递增，到达过渡波导的总长度处结束，厚度为t保持不变，过渡波导单个总长度为L2，参数h1、h2、p，a，R2、t、a、L2与同轴波导参数相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋形人工表面等离子场强增强器，其特征在于：螺旋形等离子波导的第一部分是导体内半径从r1经过周期螺旋型凹槽逐渐均匀递减到r2，相邻两个螺旋型凹槽的水平周期距离为p、凹槽宽度为a、深度为h2、均保持不变，总长度为L3；第二部分是长度为L4的锥形顶端，上面刻有深度从h2、内半径从r2递减至零的螺旋型凹槽，参数r1、r2、p、a、h、L3、L4与同轴波导参数相匹配。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种螺旋形人工表面等离子场强增强器，其特征在于：同轴波导作为导波信号的输入端。
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