CN106486729A - 基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器 - Google Patents

基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器，包括一个圆环1和金属光栅2，金属光栅2设置于与圆环1上，且金属光栅2的一端与圆环1的内圆相接，另一端向圆心方向延伸一定的长度，并在圆心周围留出一个圆形间隙。通过改变圆环1和金属光栅2的结构参数，可以调节各个谐振模式的频点、强度和Q值。该谐振器电尺寸很小，谐振强度大，具有高度灵敏性和高谐振品质因数。且该谐振器结构简单，易于加工，通过等比例缩放，可以工作在太赫兹及微波、毫米波频段。

Description

基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器
技术领域
本发明是一种环形谐振器，特别是一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器。
背景技术
表面等离激元是在一定的激励条件下形成的沿着金属和介质表面传播的表面电磁波，可以将电磁场能量限制在深度亚波长范围内，所以不受衍射极限的限制，在集成电路、通信技术和传感器等方面有巨大的应用前景。
然而自然界的表面等离激元仅存在于光波段，为了在较低频段(太赫兹、微波、毫米波)实现表面等离激元，人们提出了人工表面等离极化激元。文献1X.P.Shen andT.J.Cui,“Ultrathin plasmonic metamaterial for spoof localized surfaceplasmons”,Laser Photonics Rev.8,137(2014)，公开了一种环形谐振器，如图4所示，该谐振器由一条以上的光栅(3)围合成圆形，光栅等间距周期性排布，围合而成的内圆(4)为实心金属圆。文献2Y.J.Zhou,Q.Z.Xiao,B.J.Yang,Sci.Rep.,“Spoof localized surfaceplasmons on ultrathin textured MIM ring resonator with enhanced resonances”,5,14819(2015)，公开了一种环形谐振器，如图5所示，该谐振器由一条以上的光栅(3)围合成圆形，光栅等间距周期性排布，围合而成的内圆(5)为空心圆，且光栅上嵌入金属圆环(6)。这两种结构的谐振器是在结构中间或者中部引入圆环或者圆盘结构，这样表面电流的路径长度过小，电尺寸较大。
窄带、或者品质因数较高的谐振环结构在微波毫米波器件和天线、通信***中有广泛的应用。目前已有的人工表面等离激元谐振结构一般是在结构的内环部分形成等效电流环，因此往往电尺寸较大、品质因数较低、谐振强度较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高品质因数、电尺寸较小的紧凑型谐振器，该谐振器可以工作在微波、毫米波和太赫兹频段。本发明可用于谐振器及高灵敏度传感器等设计。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器，包括一个圆环(1)和空心的金属光栅(2)，所述金属光栅(2)包括一条以上的光栅(21)，所述光栅(21)的一端与圆环(1)的内圆相接，另一端指向圆环(1)的圆心方向，且指向圆环(1)圆心的光栅一端围成金属光栅(2)的空心圆形间隙(22)。
进一步的，所述金属光栅包括一条以上的光栅，所述金属光栅沿圆环的内圆周向周期排列。
进一步的，通过改变圆环和金属光栅的结构参数，可以调节各个谐振模式的频点、强度和Q值，所述结构参数包括所述圆环的内外半径、所述金属光栅之间的距离、长度和宽度。
进一步的，所述谐振器为悬空的金属结构；或者所述谐振器为印刷或刻蚀在基板上的金属薄片结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明的电尺寸很小。已有的表面等离激元谐振器，一般是在结构中间或者中部引入圆环或者圆盘结构，这样表面电流的路径长度远远小于本发明采用的结构最外侧。本发明的尺寸可以达到工作波长的四分之一左右。
2、本发明的谐振强度大。在相同的物理尺寸下，表面电流路径的改变可以使基模(偶极子)的谐振强度增强3dBsm以上，因而具有更强的谐振效率。这也使得本发明在应用于透射式器件和天线时具有更高的效率。
3、本发明具有高度灵敏性和高谐振品质因数。本发明的偶极子、四级子和六极子的Q值分别为17.81、146.5和634，远高于同类型已有结构，从而为设计高灵敏度传感器提供了可行方案。
4、本发明结构简单，易于加工，且通过等比例缩放，可以工作在太赫兹及微波、毫米波频段。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的雷达散射界面仿真结果示意图；
图3是本发明在谐振频点3.2GHz、5.28GHz、6.38GHz的近场电场测量结果示意图；
图4是文献1中现有技术的环形谐振器结构示意图；
图5是文献2中现有技术的环形谐振器结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于表面等离子体的紧凑型闭环谐振器，包括一个圆环1和空心的金属光栅2，所述金属光栅2包括一条以上的光栅21，所述光栅21的一端与圆环1的内圆相接，另一端指向圆环1的圆心方向，且指向圆环1圆心的光栅一端围成金属光栅2的空心圆形间隙22，也就是说，光栅21向圆心方向延伸出一定的长度，并在圆心附近留出一个小圆形间隙形成空心圆形间隙22。金属光栅2包括一条以上的光栅，光栅沿圆环1的内圆周向周期排列。
圆环1和金属光栅2的结构参数可调，且结构参数包括圆环1的内外半径、金属光栅2之间的距离、长度和宽度，通过改变这些参数，可以调节各个谐振模式的频点、强度和Q值。
该谐振环结构可以由悬空的金属构成，或是由附着在介质基板上的金属薄片构成。附着在圆环1上的金属光栅2可以形成等效媒质，并在入射波激励下形成表面等离激元。当器件上表面电流的圆周等于表面波波长的整数倍，即2πrg＝λg时，即可形成谐振。其中，rg为表面电流的等效半径，λg为等效的表面波波长。
该谐振器能够集成在平面电路或自由空间中实现高Q值的滤波器功能，或实现高灵敏度的传感器的功能，谐振器结构通过等比例缩放，可工作在太赫兹波、毫米波频段。
如图2所示，谐振频点从低频到高频分别为偶极子、四级子、六极子，谐振频点分别为3.2GHz、5.28GHz、6.34GHz；谐振强度分别为-56.76dBsm、-60.23dBsm、-78.61dBsm；Q值分别为17.81、146.5、634，该种基于表面等离子体的紧凑型闭环谐振器在24毫米的直径下，偶极子谐振频率可以降低到3.2GHz，且谐振强度可以达到-56.76dBsm，Q值达到17.81，六极子的谐振品质因数可以高达634。
如图3所示，在三个谐振频点3.2GHz、5.28GHz、6.38GHz下，可以清晰的观察到偶极子、四级子和六极子的谐振模式，使得表面等离激元谐振器的性质可以完整的体现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器，其特征在于：包括一个圆环(1)和空心的金属光栅(2)，所述金属光栅(2)包括一条以上的光栅(21)，所述光栅(21)的一端与圆环(1)的内圆相接，另一端指向圆环(1)的圆心方向，且指向圆环(1)圆心的光栅一端围成金属光栅(2)的空心圆形间隙(22)。
2.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器，其特征在于：所述光栅沿圆环(1)的内圆周向周期排列。
3.如权利要求2所述的一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器，其特征在于：通过改变圆环(1)和金属光栅(2)的结构参数，可以调节各个谐振模式的频点、强度和Q值，所述结构参数包括所述圆环(1)的内外半径、所述金属光栅(2)之间的距离、长度和宽度。
4.如权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器，其特征在于：所述谐振器为悬空的金属结构；或者所述谐振器为印刷或刻蚀在介质基板上的金属薄片结构。
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