一种基于回形枝节结构对称周期的人工表面等离激元波导的制作方法

本发明涉及人工表面等离激元波导，尤其是涉及一种基于回形枝节结构对称周期的人工表面等离激元波导。

背景技术：

表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons，spps)是外界电磁场与金属表面区域自由电子相互作用形成的沿金属表面传播的电子疏密波。由于在光波段，金属具有负的介电常数，根据电磁场的边界条件，可以证明，金属表面存在着光波段的表面等离激元。表面等离激元具有两个明显特征，第一，其传播方向上的波矢比光波矢要大；第二，在传播方向垂直的方向，场是呈指数衰减的，具有高束缚性。这种独特的传输特性，对器件小型化，低损耗十分有利。但遗憾的是，在太赫兹波段，甚至更低的微波段，金属表面为理想电导体(pec)而非等离子体，导致金属无法在微波、毫米波以及太赫兹波段激发出表面等离激元。因此，为了在低频波段模拟出光波段的表面等离激元，将其应用在微波小型化器件与电路的研发中，英国的pendry爵士以及其同事首先在金属表面上设计人工周期介质孔阵列结构，有效地降低了金属表面等离子体频率，得到从而构建出微波和毫米波频段的人工表面等离激元(spoofspp，又称为designerspp)。

现如今已经有多种基于人工表面等离激元波导，如文献(conformalsurfaceplasmonspropagatingonultrathinandflexiblefilms[j].proceedingsofthenationalacademyofsciences,2013,110(1):40-45)提出了一种超薄厚度(接近于零厚度)的共形人工表面等离激元结构，实现了人工表面等离激元波导由立体结构向平面结构的转变。

但是目前报道的人工表面等离激元波导大多数采用直线形枝节或者凹槽，电磁波的束缚性差，尺寸往往较大，传输率较低，难以投入实际使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能够减小器件尺寸，增强电磁波束缚性的一种基于回形枝节结构对称周期的人工表面等离激元波导。

本发明设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构、中间的人工表面等离激元波导传输结构和人工表面等离激元的过渡结构，所述人工表面等离激元的过渡结构设在共面波导馈电结构与中间的人工表面等离激元波导传输结构之间，所述共面波导馈电结构位于介质基板两端。

所述共面波导馈电结构设有中间导体部分和分布导体两端的金属地结构。

所述人工表面等离激元的过渡结构设有中间的人工表面等离激元的波矢匹配带和边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构；所述波矢匹配带含有边长渐变的回形枝节结构，所述回形枝节结构均为正方形。

所述中间的人工表面等离激元波导传输结构的周期单元由矩形条带加载回形金属环结构构成。

本发明降低了渐进频率，增强了电磁波的束缚性，对减少平面sspp波导尺寸具有重要意义。

与现有技术比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：在人工表面等离激元的过渡结构和中间的人工表面等离激元波导传输结构上采用新型对称回形枝节周期结构来导引微波和毫米波，很好地模拟了光波段的表面等离激元，而且相比于传统的单元结构为直线形枝节或者凹槽人工表面等离激元波导，该结构色散曲线进一步偏离光锥线，渐进频率远低于传统sspp波导的渐进频率，能够进一步加强sspp在金属表面的束缚能力。通过调节回形枝节边长的尺寸，可改变通带范围，且具有尺寸小、易于加工、传输率高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成俯视图。

图2为本发明实施例所述共面波导馈电结构和人工表面等离激元的过渡结构的尺寸参数图。

图3为本发明实施例的色散曲线图。

图4为本发明实施例的回波损耗曲线的实测结果。

图5为本发明实施例的传输系数曲线的实测结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构1、中间的人工表面等离激元波导传输结构3和人工表面等离激元的过渡结构2，所述人工表面等离激元的过渡结构2设在共面波导馈电结构1与中间的人工表面等离激元波导传输结构3之间，所述共面波导馈电结构1位于介质基板两端。

所述共面波导馈电结构1设有中间导体部分和分布导体两端的金属地结构。

所述人工表面等离激元的过渡结构2设有中间的人工表面等离激元的波矢匹配带和边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构；所述波矢匹配带含有边长渐变的回形枝节结构。

所述中间的人工表面等离激元波导传输结构3的周期单元由矩形条带加载回形金属环结构构成。

所述介质基板的厚度为0.8mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切值不大于0.005，长边长度a为230mm，短边长度b为35.4mm。

参见图2，所述共面波导馈电结构1由中间导体部分和分布导体两端金属地组成。其中，分布导体两端的矩形金属地结构长边长度w为15mm，短边长度l1为10mm，中间金属导体部分宽度h为5mm，矩形金属地位于中心导体两侧，相距导体的缝隙宽度s为0.25mm。所述人工表面等离激元的过渡结构2由枝节总长渐变的波矢匹配带和分布两端边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构组成，波矢匹配带由共面波导馈电结构1中间导体延伸而出的金属传输线加载纵向长度渐变的回形枝节组成，回形枝节为正方形，随着金属传输线的延伸，纵向长度由h1为0.5mm均匀变化到h为4mm，其余尺寸保持不变，回形结构下方矩形条带长边长度f为0.8mm，短边长度m为0.5mm。回形枝节周期长度p为5mm，金属回形框宽度f1为0.4mm。所述分布两端边缘曲线为椭圆曲线的金属地结构，长轴一半长度l2为50mm，短轴一半长度w为15mm。

参见图3，是一种基于回形枝节结构对称周期的人工表面等离激元波导周期单元结构的色散曲线。可见随枝节总纵向长度h的增大，色散曲线进一步偏离光锥线，相比于传统的矩形槽，其表面等离激元的场束缚特性更加明显。

参见图4与图5，是一种基于回形枝节结构对称周期的人工表面等离激元波导回波损耗、传输系数的实测值，回波损耗小于-10db且传输系数大于-3db带宽为1.85～7.72ghz。

本发明的金属结构位于介质基板单侧，金属传输线周期单元结构由对称的矩形金属线加载回形枝节构成。采用这种周期结构构成的金属传输线，可以引导微波人工表面等离激元，具有尺寸小、带宽较宽、传输率高、易于加工等特点，其色散曲线在光锥线的右侧，并比一般的人工等离激元波导偏离程度更高，具有更低的渐进频率，可以实现深度亚波长局域场的束缚，能够用于微波和毫米波波段的人工表面等离激元电磁波的传输。

技术特征：

技术总结
一种基于回形枝节结构对称周期的人工表面等离激元波导，涉及人工表面等离激元波导。设有介质基板，在介质基板的一侧设有金属结构，所述金属结构设有共面波导馈电结构、中间的人工表面等离激元波导传输结构和人工表面等离激元的过渡结构，所述人工表面等离激元的过渡结构设在共面波导馈电结构与中间的人工表面等离激元波导传输结构之间，所述共面波导馈电结构位于介质基板两端。降低了渐进频率，增强了电磁波的束缚性，对减少平面SSPP波导尺寸具有重要意义。通过调节回形枝节边长的尺寸，可改变通带范围，且具有尺寸小、易于加工、传输率高等优点。

技术研发人员：王宇;李伟文;颜永鹏;张良财;叶龙芳;刘颜回
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2019.01.30
技术公布日：2019.05.24