一种基于人工表面等离激元的切仑科夫辐射装置的制作方法

本发明涉及一种基于人工表面等离激元的切伦科夫辐射装置，属于新型人工电磁材料领域。

背景技术：

高速带电粒子在介质中穿行时，当粒子速度大于介质中的相速度时，会激发出一种特殊的辐射——切伦科夫辐射。这种辐射是1934年由俄罗斯物理学家P.A.切伦科夫发现，1937年俄国物理学家I.M.弗兰克和I.E.塔姆成功地解释了切伦科夫辐射的成因。切伦科夫辐射是一种强偏振辐射，它所形成的辐射场将集中在粒子后方一个圆锥形区域中，这是带电粒子在其运动轨迹上各点所辐射的波相互干涉形成的尾迹。并且，辐射波的方向与粒子运动方向之间的夹角θ称为切伦科夫角，满足cosθ＝c/nv，式中v为粒子速度，n为介质折射率，c为真空光速。

表面等离激元是一种在光波段金属―介质分界面(或金属―空气界面)高度局域传输的电磁波模式，它在亚波长结构的增透效应、超分辨率成像、数据存储、近场光学等领域的得到广泛的应用。传统的表面等离激元研究在光波段，借助于新型人工电磁材料的概念——通过在金属表面挖孔或刻槽等方式，人们在较低的频段下(微波或太赫兹波段)成功模拟了表面等离激元在光波段的性质，并且把这种特殊的结构称为人工表面等离激元。因此，人工表面等离激元是将表面等离激元的概念推广到低频段(微波或太赫兹波段)的一种应用，并且它有助于减小器件尺寸在亚波长量级。微波频段的人工表面等离激元导波结构具有传统光波段的表面等离激元相似的传输特性，并且可以通过调节结构的几何参数来调控其电磁特性。

表面等离激元是一种束缚的表面波模式，其波动量大于自由光子的动量，因此很难直接用表面等离激元直接转化成空间电磁波。根据光学互易原理，尤其在设计表面等离激元功能器件时，空间波与表面等离激元波的高效转换是一个非常关键的技术难点；由于目前较低的转化效率，这在很大程度上限制了表面等离激元器件的开发和应用。因此，迫切需要找到一种途径，能够实现传输模式与辐射模式间的高效转换。并且，通过模式转换的研究可能会带来一些新的耦合机制，能够在很大程度上促进新型导波结构装置及功能器件的发展。本发明基于已具有成熟加工技术和测试平台的微波频段，并且基于人工表面等离激元波导的相关辐射特性的研究，将会对未来光波段及太赫兹波段等离激元器件间模式转换的研究做有益的参考。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：提供一种基于人工表面等离激元波导的辐射装置，该波导结构能够有效地将人工表面等离激元模式转换成辐射模式，模拟切仑科夫辐射尾迹。装置具有结构简单、低剖面，波束指向及波束宽度易于调控等优点，方便的制作及集成，具有较高的实用价值。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种基于人工表面等离激元的切仑科夫辐射装置，包括介质基板及覆盖在所述介质基板上、下表面的两层金属片；两层所述金属片沿着金属片延伸方向镜像对称；所述金属片由反转结构沿金属片延伸方向周期排列构成；所述反转结构由相互反对称的金属结构通过匹配短截线连接而成；所述金属结构由金属凹槽单元周期排列构成。

在两层所述金属片两端设有过渡结构；所述过渡结构为凹槽深度沿着端部向内逐渐加深直至与所述反转结构凹槽深度相等的周期性金属凹槽结构。

所述金属凹槽单元的凹槽为等间隔等宽的矩形单元。

所述匹配短截线的宽度为波长的四分之一。

通过改变两层所述金属片横向中心间的距离差调节所述装置的色散特性及截止频率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明结构为二维平面结构，制作简单，便于集成。在微波波段，具有成熟的PCB加工技术及测量技术，能够完成装置实物的加工和测试。

2.本发明主要提出了一种基于人工表面等离激元导波辐射装置，装置的两个主要功能：输入端的导波到人工表面等离激元的激励及人工表面等离激元到空间辐射模式的转化。这种结构的设计是基于单元凹槽的色散特性，利用布里渊图的辐射区域概念，通过在结构突变处激励起高次模辐射。输入端的共面设计，因而在器件和集成电路的设计中具有较大的灵活性。

3.本发明可以通过改变人工电磁表面单元结构的几何尺寸来改变器件的辐射特性。调节简单，扩展性良好。因为结构整体上是利用金属单元结构的谐振效果来降低其等效的体相等离子谐振频率，因此，通过调节金属结构及周期尺寸，使等离子谐振频率发生变化，从而改变其色散特性。

4.通过上、下层介质之间的耦合能够有效地减小装置的尺寸。因其表面等离子频率较现有技术进一步降低，从而可以使其次波长和场局域效应显著增强，可进一步减小尺寸。这种模式较传统导波模式具有更小的等效波导波长，这个性质可以用于构建小型化的器件。

5.该辐射结构可以在较宽的工作频带内，实现微带传输的信号与表面等离激元模式的信号的高效转换。并且，波束的扫描角度随频率变化，具有切仑科夫的辐射角度特性。

附图说明

图1是本发明中辐射装置的三维结构示意图；1为介质基板，2为第一金属片，3为第二金属片，4右下图为一个周期的人工电磁表面单元对应的等效阻抗电路，5匹配短截线，6左上插图为对应的结构侧视图；其中，a为凹槽的宽度，h为凹槽的深度，p为凹槽单元的周期宽度。

图2是本发明的加工实物图的正、反面结构。

图3为本发明的切仑科夫辐射原理示意图。

图4是双层金属条带的第一金属片2和第二金属片3横向中心间的距离差g对应于不同值的色散关系曲线，g的变化范围从6mm到0mm；黑色线性实线为光线对应的色散关系。

图5是本发明中色散特性的理论曲线图。黑色线性实线为光线的色散曲线，夹在两条黑色实线间的阴影区域为辐射区域。

图6本发明辐射装置的电场仿真图，当上下层金属片横向中心间的距离差为g＝0时，在剖面处的电场矢量分布图。

图7本发明辐射装置的电场仿真图，当上下层金属片横向中心间的距离差为g＝0时，在剖面处的电场矢量分布图。

图8是本发明在XOY平面上的近场电场仿真图。(图(a)—(d)分别对应于4个不同频点12GHz、12.7GHz、15.2GHz、15.8GHz，从图中可以看到，辐射波束的偏转方向满足方程：θ_c(w)＝sin^-1[c/nv_p)]＝sin^-1[cβ(w)/w]。

图9是本发明中装置的端口参数曲线图。

图10是计算求得对应各频点的泄漏因子图，通过测量本发明中结构的S参数计算求得对应各频点的泄漏因子图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

图1给出了相位反转装置的整体结构示意图及其截面示意图6。整个装置可以被看作是由多个平行的传输线段串联连接构成。如图1所示，本发明结构包括介质基板1以及覆盖在介质基板1上、下表面的两层金属片。两层金属片的结构由金属凹槽单元沿金属片延伸方向周期排列构成，上、下层金属片具有相同的金属图形，并且相对于参考平面(XOZ平面)镜像对称，第一金属片2上的凹槽开口方向和第二金属片3上的凹槽开口方向相反。

同轴波导端口馈入模式为TEM模式，与人工表面等离激元波导结构所支持的TM模式之间存在模式失配，考虑人工表面等离激元波导阻抗与馈入端波导之间阻抗与波矢匹配的情况下，需要在图2结构的两端增加一段渐变过渡结构匹配。运用渐变凹槽的过渡段结构，能够有效地实现了金属光栅结构到人工表面电磁单元间的转换。即在整个结构位于金属片两端的凹槽深度分别沿着从端部至中间逐渐加深，直至和位于金属片中部的凹槽的深度相等。金属片两端通过逐渐加深凹槽深度结构实现人工表面等离激元的有效激励，将输入端的导波模式成功转换为人工表面等离激元模式。

人工表面等离激元导波的金属片上的凹槽为等间隔等宽的矩形单元，并形成周期性的反转结构，反转结构的形成是由原先的单边周期性金属结构每隔长度为T/2将金属结构沿着y＝g/2轴线镜像对称形成，镜像单元与相邻的单元间由宽度为d的匹配短截线5连接，即反转结构由相互反对称的金属结构通过匹配短截线5连接而成；其中，T为周期，g为上下层金属片横向中心间的距离差，为垂直于金属片延伸方向上上下层金属片中心之间的距离。层间的耦合系数取决于传输线段间的横向距离差，即传输线段的上下层金属片横向中心间的距离差g，由反转导致任意相邻的长度为T/2的两个平行传输线段结构对应于不同g值。图中，相邻传输线段分别对应g＝0和g＝6mm。这样将会形成两个不同等效特性阻抗如图1中6所示的Z₀₁和Z₀₂，这将在结构连接处由于阻抗不连续性引入阻抗突变。因此，匹配短截线5通常采用波长的四分之一，在阻抗间形成有效地阻抗变换抑制局部反射。匹配短截线5也可以被视为是两个不同特性阻抗值的半波长平行线段间连接一个四分之一波长的阻抗变换段。

在本发明中，介质板的厚度t＝0.17mm，介质板的介电常数为2.65。凹槽的宽度a＝0.6mm，凹槽的深度h＝1.2mm，凹槽单元的周期宽度p＝1.5mm，连接金属条带宽度d＝0.45mm。

本发明所提出的切仑科夫辐射装置的工作原理如下：

在没有引入本发明的反转结构时，传输线是一个由单元沿着金属片延伸方向拓扑排列的人工表面等离激元波导结构，它是一种束缚的导波(无辐射)结构。在色散特性的理论曲线图5中，可以看出本发明的双层金属片结构具有一种趋于某频率截止的慢波色散特性。这种特性使得结构上、下层金属片间具有较强的电磁耦合，相比于传统的微带线，具有更高的束缚性以减小相互间的串扰。并且，对应于不同的横向距差g，平行凹槽的色散曲线都位于第一布里渊辐射区域外，因此结构本身是一种非辐射的模式。在该结构中激励的人工表面等离激元是一种起仅在周期方向为传播模式的表面波，在另外两个正交方向上表现为自然指数衰减的表面等离激元模式。其色散行为的表现类比于光学波段下表面等离激元的色散性质。当频率接近结构的截至频率时，其表现出更加显著的场束缚及亚波长特性。采用反对称的梳状结构的人工表面等离激元波导具有非常强的场局域效果，使得该波导具有较高的抗干扰性，这样传导结构在高速电路中具有潜在的应用前景。

当在波导中引入相位反转结构后，整个导波结构变成以长度T为周期的新结构。根据Floquet定理，周期结构会生成高次谐波，它们之间的色散关系满足：

β_n(w)＝±[β₀(w)+2πn/p],n＝0,±1,±2... (1)

并且，由于每个T/2长度的单元与其相邻的单元结构反转，导致相位反转(相位差半个周期)，使得使色散曲线沿着水平方向向左平移π。这样，如图5所示，高次模(-1次模)的色散曲线刚好经过一布里渊辐射区域区域，该模式的波形成辐射。

图2是本发明的加工实物图，如图2所示，上图为上层金属片的正视图，下图为下层金属片的正视图。

图3本发明的切仑科夫辐射原理示意图，如图3所示，辐射的运动轨迹在传播方向后方呈圆锥形，这是波在传播过程中相互干涉叠加形成的尾迹，并且锥角满足切伦科夫辐射的角度方程。

图4是双层金属条带的第一金属片2和第二金属片3横向中心间的距离差对应于不同g的色散关系曲线图。如图4所示，通过改变第一金属片2和第二金属片3横向中心间的距离差g，可以调节结构单元的色散特性及截止频率。从图4中我们比较，双层结构的色散曲线较单层条带结构更偏离于光线的色散曲线，这意味着双层结构对于电磁场的局域特性更强。

图5是本发明中色散特性的理论曲线图。如图5所示，经过该区域中的色散曲线满足辐射条件，属于快波辐射。n＝-1次色散曲线是n＝0次色散曲线根据公式(1)所求得。由于相位反转结构，本发明结构的色散曲线(虚线)对应的曲线表示将-1次曲线向左平移一个相位π。同时，它与由角度方程所计算出来的三角形点所拟合的曲线几乎吻合。图中的A、B、C分别为与图中光线的色散线和垂直坐标的交点。

图9是本发明中装置的端口参数曲线图。如图9所示，在12-16GHz频率范围内，反射系数S11小于-10dB，并且S21小于-30dB，表明该装置在工作频带内绝大部分能量被辐射出去。

以上所述仅是本发明的优选实施方案。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。