一种基于超材料的无线激励小型化微波微等离子体阵列源的制作方法

本发明涉及微波等离子体源的技术领域，尤其涉及一种基于超材料的无线激励2.45ghz小型化平面微波微等离子体阵列源。

背景技术：

小功率微波微等离子体技术是一项近几年发展起来的集微电子技术、微波技术和等离子体技术于一体的高新技术，它是随着mems技术的发展而发展起来的。微等离子体包括直流微等离子体、射频微等离子体和微波微等离子体。当放电空间进一步减小到纳米尺寸时，就成为纳等离子体。由于微电子机械系统(mems)具有低损耗、高隔离、体积小、制造成本低、易与ic、mmic电路集成等特点，通过mems工艺可以实现微波等离子体的小功率封装和有源集成。因此将微波等离子体结合mems工艺可使等离子体的结构和特性发生巨大的改变。

微波等离子体可广泛应用于新材料、微电子和化学等高科技领域，随着微波等离子体的小型化发展，电路尺寸要求在毫米级、微米级甚至纳米级。微波微等离子体密度高、稳定性好、生存周期长和环境污染少等，在生物制品的杀菌消毒和表面去污、大面积低温材料的表面改性处理、特定形状表面的沉积和刻蚀、等离子体晶体管mopfet以及高效光源等领域具有广泛的应用前景。

超材料指的是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，在宽频电磁吸收、太赫兹调制、热辐射探测和纳米光学成像、智能天线等领域具有广泛的应用前景。超材料主要包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等，其中左手材料是一种在特定的频段下磁导率和介电常数同时为负值的材料系统。由于它是一种同时为负的介电常数和负的磁导率的人工复合结构材料，使得电磁波在其中传播时的相速度和群速度方向相反，从而表现出一系列不同寻常的电磁性质，如逆doppler效应、逆cherenkov辐射、负折射效应和完美透镜效应等等。但至今为止，自然界中从未发现过ε和μ都为负的物质，即左手材料在自然界中并不存在。目前实现负折射率特性的左手材料结构主要包括基于金属棒(rod)和开口谐振环(srr)的阵列结构、基于微带耦合线的左右手复合传输线等。

微波无线输能技术是指不经过电缆将能量从发电装置传送到接收端的技术，可应用在太阳能卫星、近空间飞行器、恶劣环境的电力供应、无线传感器网络节点供能以及手机、电动汽车等的无线充电等领域。基于超材料的无线激励2.45ghz小型化平面微波微等离子体阵列源就是采用mems工艺加工一个超材料平面阵列，通过无线方式将微波功率传输到该超材料阵列平面上，在每个超材料阵列单元的缝隙处激励起5毫米甚至0.2毫米尺寸的微等离子体，从而形成一个微波微等离子体阵列源。由于此项技术在薄膜沉积、基于等离子体的超材料、微束等离子激光器、气体流量较大时的并行处理以及隐身等领域具有良好的应用前景，因而受到越来越广泛的关注。

目前，基于超材料的无线激励微波微等离子体阵列源采用c型开环谐振器(ssrr)阵列。这种结构的阵列单元由2个大小不等的独立c型开环谐振器(ssrr)组成，因此阵列单元有2.1ghz和2.45ghz两个谐振频率。由于这种结构的阵列源有多个谐振频率，导致功率源成本提高，而且大面积c型开环谐振器(ssrr)阵列单元缝隙处的电磁场分布也不均匀，使得激励的微波微等离子体阵列也不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述阵列源的缺陷，较好的实现基于超材料的无线激励微波微等离子体阵列源的小型化和无线激励微波微等离子体均匀阵列。

根据微波理论，双开口谐振环(dsrr)的谐振频率可以用表示,其中leq＝l1+l2-2m是每个电路的等效电感，ceq是每个电路的等效电容。所有的电路参数都是频率的变量，随着频率的增大dsrr结构将会出现多个谐振现象。根据dsrr的结构特性，开口处23、24的电容cg、耦合电感m和耦合电容c随着环开口宽度s、环间距d和金属环宽w的增大而减小。所以，增加环开口宽度、环间距和金属环宽会使dsrr谐振频率变高。由于dsrr谐振环结构的不完全对称性，因此电磁波的极化方向对其谐振状态的等效电路具有很大的影响。当dsrr谐振环单元的开口方向平行于入射波电场方向时，会因结构不对称而激发电场，形成谐振。而当dsrr谐振环单元的缝隙处电场达到一定强度时，则将在缝隙处激励起微等离子体。

本发明提供的一种基于超材料的无线激励小型化平面微波微等离子体阵列源，包括发射天线、基于超材料结构的微带谐振器阵列及介质平凸透镜，所述发射天线为微带贴片天线，通过同轴线馈电；基于超材料结构的微带谐振器阵列的介质基片面向介质平凸透镜的一侧，阵列单元结构为方形或圆形双开口谐振环(dsrr)，介质平凸透镜位于发射天线与基于超材料结构的微带谐振器阵列之间；工作时微带贴片天线发射微波能量，通过介质平凸透镜使电磁波以平面波均匀传播，当基于超材料结构的微带谐振器阵列发生谐振时，在超材料结构缝隙处激励起平面微波微等离子体均匀阵列。

所述发射天线的微带贴片为矩形、圆形、椭圆和圆环贴片，通过同轴线底馈或侧馈；所述发射天线的谐振频率为2.45ghz。

所述介质平凸透镜的凸面朝向发射天线，介质平凸透镜的平面朝向基于超材料结构的微带谐振器阵列；所述介质平凸透镜的尺寸与基于超材料结构的微带谐振器阵列的尺寸相同或大于基于超材料结构的微带谐振器阵列的尺寸。

所述介质平凸透镜的介质材料为聚四氟乙烯或石英玻璃。

所述基于超材料结构的微带谐振器阵列的介质基片面向介质平凸透镜的一侧，其谐振频率为2.45ghz，阵列单元为超材料结构的方形或圆形双开口谐振环(dsrr)等。

所述阵列单元结构的方形或圆形双开口谐振环(dsrr)，其缝隙宽度为10μm～100μm，谐振频率为2.45ghz。

所述发射天线与基于超材料结构的微带谐振器阵列之间的距离为30mm-100mm，发射天线与介质平凸透镜之间的距离为20mm-50mm。

所述发射天线和基于超材料结构的微带谐振器阵列的高导电率的金属材料是金或铜。

所述发射天线和基于超材料结构的微带谐振器阵列的耐高温、耐腐蚀的低损耗介质基片是蓝宝石、高阻硅、多孔硅、红宝石或高频陶瓷。

本发明提供的基于超材料的无线激励微波微等离子体阵列源是一种无线激励微波微等离子体的装置，具有体积小和无线激励微波微等离子体均匀阵列等优点。微带贴片天线使发射天线体积减小；使用介质平凸透镜可使电磁波以平面波均匀传播；而基于dsrr结构的微带谐振器阵列可使缝隙处的微等离子体激励均匀，从而增大微波微等离子体均匀阵列源的尺寸。本发明具有小型化、无线激励平面微波微等离子体均匀阵列等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明微带发射天线示意图，其中，(a)俯视图、(b)侧视图；

图3为本发明基于dsrr结构的微带谐振器阵列示意图；

图4为本发明基于dsrr结构的微带谐振器阵列单元示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明，但实施例不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

参阅图1-图4，本发明包括发射天线1、基于超材料结构的微带谐振器阵列2和介质平凸透镜3；其中发射天线1的微带贴片10为矩形、圆形、椭圆或圆环贴片等，通过同轴线14底馈或侧馈，发射天线1的谐振频率为2.45ghz；基于超材料结构的微带谐振器阵列2的介质基片面向介质平凸透镜的一侧，阵列单元结构20为方形或圆形双开口谐振环(dsrr)等；介质平凸透镜3位于发射天线1和微带谐振器阵列2之间。工作时微带贴片天线1发射微波能量，通过介质平凸透镜3使电磁波以平面波均匀传播，当基于超材料结构的微带谐振器阵列2发生谐振时，从而在超材料结构缝隙处23、24激励起平面微波微等离子体均匀阵列。

实施例1

本实施例提供一种基于超材料的无线激励2.45ghz小型化平面微波微等离子体阵列源，包括发射天线1、基于dsrr结构的微带谐振器阵列2和介质平凸透镜3。工作时，微波功率通过sma同轴接头14馈入到圆形微带贴片10中，通过介质平凸透镜3使电磁波均匀传播，当基于dsrr结构的微带谐振器阵列2发生谐振时，在超材料结构缝隙处23、24激励起平面微波微等离子体均匀阵列，从而实现基于超材料的无线激励微波微等离子体均匀阵列等。

本实施例中圆形微带贴片10的半径为11.5mm，馈电点位置12偏离中心点的距离为2mm，发射天线1的介质基片11长度为80mm、宽度为80mm、厚度为1mm。sma同轴接头14的外导体与接地平面13连接。发射天线1的谐振频率为2.45ghz。

本实施例中介质平凸透镜3的凸面曲率半径为800mm，介质平凸透镜3的平面直径为340mm。

本实施例中基于超材料结构的微带谐振器阵列2为基于dsrr结构的8*8正方形阵列，相邻dsrr单元之间的距离d1为6mm；介质基片长度为240mm、宽度为240mm、厚度为0.4mm。微带谐振器阵列2的谐振频率为2.45ghz。

本实施例中dsrr单元外环21长度l为22mm，外环21、内环22宽度w为1mm，内外环间距d为1.2mm，缝隙23、24宽度s为0.1mm。

本实施例中发射天线1与基于dsrr结构的微带谐振器阵列2之间的距离d为75mm，发射天线1与介质平凸透镜3之间的距离d1为30mm。

本实施例中介质平凸透镜3的低损耗的介质材料是聚四氟乙烯。

本实施例中圆形微带贴片10、基于dsrr结构的微带谐振器阵列2和接地板13的高导电率的金属材料是铜。

本实施例中发射天线1、基于超材料结构的微带谐振器阵列2的耐高温、耐腐蚀的低损耗介质基片是氧化铝陶瓷，相对介电常数为9.8。

与现有技术相比，本实施例基于dsrr结构的无线激励2.45ghz平面微波微等离子体阵列源具有小型化、无线激励平面微波微等离子体均匀阵列等优点。