[發明專利]一種基于超材料的無線激勵小型化微波微等離子體陣列源

有效

• 申請號: 201710609369.6
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107548222B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 廖斌;郭義
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H05H1/46
• 分類號: H05H1/46
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種基于超材料的無線激勵小型化微波微等離子體陣列源，包括發射天線、基于超材料結構的微帶諧振器陣列和介質平凸透鏡，其中發射天線為微帶貼片天線，包括矩形、圓形、橢圓和圓環貼片等，通過同軸線饋電；基于超材料結構的微帶諧振器陣列的介質基片面向介質平凸透鏡的一側，陣列單元結構為方形或圓形雙開口諧振環(DSRR)等；介質平凸透鏡位于發射天線和微帶諧振器陣列之間。工作時微帶貼片天線發射微波能量，通過介質平凸透鏡使電磁波以平面波均勻傳播，當基于超材料結構的微帶諧振器陣列發生諧振時，在超材料結構縫隙處激勵起平面微波微等離子體均勻陣列。本發明具有小型化、無線激勵平面微波微等離子體均勻陣列等優點。

技術領域

本發明涉及微波等離子體源的技術領域，尤其涉及一種基于超材料的無線激勵2.45GHz小型化平面微波微等離子體陣列源。

背景技術

小功率微波微等離子體技術是一項近幾年發展起來的集微電子技術、微波技術和等離子體技術于一體的高新技術，它是隨著MEMS技術的發展而發展起來的。微等離子體包括直流微等離子體、射頻微等離子體和微波微等離子體。當放電空間進一步減小到納米尺寸時，就成為納等離子體。由于微電子機械系統(MEMS)具有低損耗、高隔離、體積小、制造成本低、易與IC、MMIC電路集成等特點，通過MEMS工藝可以實現微波等離子體的小功率封裝和有源集成。因此將微波等離子體結合MEMS工藝可使等離子體的結構和特性發生巨大的改變。

微波等離子體可廣泛應用于新材料、微電子和化學等高科技領域，隨著微波等離子體的小型化發展，電路尺寸要求在毫米級、微米級甚至納米級。微波微等離子體密度高、穩定性好、生存周期長和環境污染少等，在生物制品的殺菌消毒和表面去污、大面積低溫材料的表面改性處理、特定形狀表面的沉積和刻蝕、等離子體晶體管MOPFET以及高效光源等領域具有廣泛的應用前景。

超材料指的是具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，在寬頻電磁吸收、太赫茲調制、熱輻射探測和納米光學成像、智能天線等領域具有廣泛的應用前景。超材料主要包括左手材料、光子晶體、超磁性材料等，其中左手材料是一種在特定的頻段下磁導率和介電常數同時為負值的材料系統。由于它是一種同時為負的介電常數和負的磁導率的人工復合結構材料，使得電磁波在其中傳播時的相速度和群速度方向相反，從而表現出一系列不同尋常的電磁性質，如逆Doppler效應、逆Cherenkov輻射、負折射效應和完美透鏡效應等等。但至今為止，自然界中從未發現過ε和μ都為負的物質，即左手材料在自然界中并不存在。目前實現負折射率特性的左手材料結構主要包括基于金屬棒(ROD)和開口諧振環(SRR)的陣列結構、基于微帶耦合線的左右手復合傳輸線等。

微波無線輸能技術是指不經過電纜將能量從發電裝置傳送到接收端的技術，可應用在太陽能衛星、近空間飛行器、惡劣環境的電力供應、無線傳感器網絡節點供能以及手機、電動汽車等的無線充電等領域。基于超材料的無線激勵2.45GHz小型化平面微波微等離子體陣列源就是采用MEMS工藝加工一個超材料平面陣列，通過無線方式將微波功率傳輸到該超材料陣列平面上，在每個超材料陣列單元的縫隙處激勵起5毫米甚至0.2毫米尺寸的微等離子體，從而形成一個微波微等離子體陣列源。由于此項技術在薄膜沉積、基于等離子體的超材料、微束等離子激光器、氣體流量較大時的并行處理以及隱身等領域具有良好的應用前景，因而受到越來越廣泛的關注。

目前，基于超材料的無線激勵微波微等離子體陣列源采用C型開環諧振器(SSRR)陣列。這種結構的陣列單元由2個大小不等的獨立C型開環諧振器(SSRR)組成，因此陣列單元有2.1GHz和2.45GHz兩個諧振頻率。由于這種結構的陣列源有多個諧振頻率，導致功率源成本提高，而且大面積C型開環諧振器(SSRR)陣列單元縫隙處的電磁場分布也不均勻，使得激勵的微波微等離子體陣列也不均勻。

發明內容

本發明的目的是克服上述陣列源的缺陷，較好的實現基于超材料的無線激勵微波微等離子體陣列源的小型化和無線激勵微波微等離子體均勻陣列。