[發(fā)明專利]基于螺旋形金屬臂的人工局域表面等離激元耦合的傳輸線

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810877643.2
• 申請(qǐng)日: 2018-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN109216843B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖臻;羅國(guó)清;潘柏操;蔡本庚;錢雅惠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01P3/00
• 分類號(hào): H01P3/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

本發(fā)明涉及一種基于螺旋形金屬臂的人工局域表面等離激元耦合的傳輸線。包括介質(zhì)基底，所述基底上設(shè)置有周期相連的亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)單元，每一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)單元由兩根、三根或者多根螺旋金屬臂組合而成；相鄰金屬結(jié)構(gòu)單元之間呈對(duì)稱、反對(duì)稱方式分布，用于遠(yuǎn)距離傳輸具有高束縛的人工局域表面等離激元。本發(fā)明采用普通的PCB工藝制作，加工方便，具有小型化、高隔離、高傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，提高了系統(tǒng)的集成度，具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于人工電磁材料領(lǐng)域，涉及一種基于金屬螺旋形臂結(jié)構(gòu)的人工局域表面等離激元耦合的傳輸線。

背景技術(shù)

在光波段，表面等離激元(Surface Plamson，SPs)是指金屬表面的自由電子和入射波相互作用后發(fā)生的集體振蕩。表面等離激元是一種特殊的電磁表面波，其主要特征有：一、電磁波的場(chǎng)強(qiáng)在金屬/介質(zhì)交界面的垂直方向呈指數(shù)衰減；二、電磁波的能量被束縛在交界面附近的亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)；三、在交界面附近會(huì)出現(xiàn)局域場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象。根據(jù)傳播特性的不同，表面等離激元可以分為在金屬/介質(zhì)交界面上傳播的表面等離極化激元(SurfacePlasmon Polaritons，SPPs)和局域在金屬顆粒附近的局域表面等離激元(LocalizedSurface Plasmons，LSPs)兩種。其中局域表面等離激元對(duì)周圍環(huán)境極其敏感，并且能將電磁波束縛在很小的區(qū)域范圍內(nèi)，帶來巨大的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。在一維周期排列的亞波長(zhǎng)金屬顆粒上，局域表面等離激元之間會(huì)發(fā)生相互耦合，這種相互耦合能夠傳遞電磁波能量。由于金屬顆粒的具有亞波長(zhǎng)的特性，所以這種一維周期亞波長(zhǎng)金屬顆粒的電磁能量的傳輸方式在新型光學(xué)器件具有重要的應(yīng)用價(jià)值，從而得到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

但是，金屬只有在近紅外和光波頻段才能呈現(xiàn)出等離子體(Plasma)的性質(zhì)，從而在金屬表面形成表面等離激元。而在低頻(如微波、太赫茲波和遠(yuǎn)紅外)波段金屬的介電常數(shù)趨近于無窮大近似為完美導(dǎo)體。當(dāng)電磁波遇到完美導(dǎo)體時(shí)會(huì)被反射無法進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部，所以金屬表面對(duì)低頻波段電磁波的束縛就非常弱，無法形成表面等離激元表面波。經(jīng)過科學(xué)家的研究，發(fā)現(xiàn)通過人工電磁材料的設(shè)計(jì)能夠在低頻(如微波、太赫茲波和遠(yuǎn)紅外)波段實(shí)現(xiàn)類似的表面波，被稱為人工表面等離激元(Mimicking SPs或者Spoof SPs)。這種表面波有著與光波段表面等離激元類似的局域和亞波長(zhǎng)束縛特性，可以在低頻波段實(shí)現(xiàn)諸如器件小型化及各種潛在應(yīng)用。因此，由人工局域表面等離激元耦合實(shí)現(xiàn)的傳輸線能夠成為下一代電路系統(tǒng)的希望之一。

目前基于人工局域表面等離激元的傳輸結(jié)構(gòu)，主要包括直金屬臂構(gòu)成的單元等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生電諧振模式，從而其構(gòu)成的傳輸線只能傳輸電諧振模式。通常來說磁諧振模式的傳輸性能更優(yōu)于電諧振模式，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的金屬螺旋臂單元，能夠同時(shí)傳輸電諧振和磁諧振模式，具有更廣泛的應(yīng)用前景；并且首次通過金屬條連接相鄰的單元結(jié)構(gòu)，為單元結(jié)構(gòu)提供傳導(dǎo)電流的交互途徑，能夠有效的提高單元之間的耦合，從而提高傳輸特性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種亞波長(zhǎng)、高束縛、高傳輸性能的人工局域表面等離激元耦合波導(dǎo)，并進(jìn)一步提供一種基于上述波導(dǎo)型傳輸線的電路。

一種基于人工局域表面等離激元之間耦合效應(yīng)的波導(dǎo)型傳輸線，包括介質(zhì)基底，所述基底上設(shè)置有周期相連的亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)單元，每一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)單元由兩根、三根或者多根螺旋金屬臂組合而成；相鄰金屬結(jié)構(gòu)單元之間呈鏡像、反鏡像方式分布，用于遠(yuǎn)距離傳輸具有高束縛的人工局域表面等離激元。

所述金屬臂可以是圓形、橢圓形、三角形、矩形或多邊形螺旋形金屬臂。

所述介質(zhì)基板采用PCB板、硅基底、石英基底、或聚酰亞胺基底。

金屬螺旋臂構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)能夠等效為高介電常數(shù)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)。在電磁波的激勵(lì)下，金屬螺旋臂構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生電諧振和磁諧振的模式。當(dāng)單元結(jié)構(gòu)靠近并相連時(shí)，諧振模式之間會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)電流的相互耦合。本發(fā)明將金屬單元結(jié)構(gòu)呈一維周期排列并相連，電磁波在相鄰單元之間相互耦合并進(jìn)行能量傳輸。