本發(fā)明涉及表面等離激元波導(dǎo)，具體是涉及一種基于螺旋形枝節(jié)結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元波導(dǎo)。

背景技術(shù)：

表面等離激元(Surface Plasmons，SPs)是自由電子沿導(dǎo)體表面的集體振蕩，即電子氣的疏密波。SPs與相鄰介質(zhì)中的光子耦合形成的混合體，亦即極化激元，被稱為表面等離極化激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)。SPPs可沿連續(xù)界面?zhèn)鞑デ腋叨燃杏诮缑?，場強在界面處最大，在界面兩?cè)呈指數(shù)衰減，是一種束縛性極強的表面波。能夠克服衍射極限限制實現(xiàn)亞波長量級的電磁場空間束縛，在小型化電路、近場光學(xué)、高分辨率傳感器等領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用價值。然而表面等離激元通常僅在接近其導(dǎo)體特征等離子頻率時才能夠表現(xiàn)出較強的亞波長局域場束縛性能，大多數(shù)金屬的特征等離子頻率卻位于可見光、紫外線頻段，導(dǎo)致使用金屬線、金屬板等常規(guī)的表面等離激元波導(dǎo)在微波、毫米波及太赫茲等較低頻段的場束縛性能差。因此，為了在微波與太赫茲等較低頻段獲得良好的局域場束縛性能，人們提出了人工表面等離激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)的概念。2004年J.B.Pendry等人發(fā)表在Science上的論文《Mimicking Surface Plasmons with Structured Surfaces》論證了通過在有一定厚度的金屬面板進行周期性矩形打孔能夠有效激發(fā)人工表面等離激元。但立體結(jié)構(gòu)使得人工表面等離激元波導(dǎo)的尺寸過大，難以應(yīng)用在小型化電路及系統(tǒng)中。2013年Xiaopeng Shen，Tie Jun Cui等人發(fā)表在APPLIED PHYSICS LETTERS的論文《Planar plasmonic metamaterial on a thin film with nearly zero thickness》研究了周期性開槽的極薄的金屬薄膜傳輸線能夠?qū)б斯け砻娴入x激元，實現(xiàn)了人工表面等離激元波導(dǎo)由立體結(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。具有平面結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元波導(dǎo)，由于在微波與太赫茲集成電路與系統(tǒng)的小型化應(yīng)用中具有重要應(yīng)用，受到廣泛關(guān)注，然而這些波導(dǎo)大都采用直線型枝節(jié)，往往尺寸較大，大大限制了其在高集成電路和系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，研究具有電磁波束縛性能強、結(jié)構(gòu)尺寸小的新型枝節(jié)加載的平面人工表面等離激元波導(dǎo)具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供小型化、提升其所傳輸微波與太赫茲波的束縛性能的一種基于螺旋形枝節(jié)結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元波導(dǎo)。

本發(fā)明設(shè)有金屬薄膜傳輸線和介質(zhì)基板；

所述金屬薄膜傳輸線設(shè)在介質(zhì)基板的單側(cè)或雙側(cè)，所述金屬薄膜傳輸線的周期單元結(jié)構(gòu)由矩形條帶結(jié)構(gòu)加載人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)構(gòu)成。

所述人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)可采用圓形、橢圓形、三角形、矩形或多邊形等螺旋形結(jié)構(gòu)，所述人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)可單獨加載于條帶枝節(jié)的一側(cè)或呈對稱、反對稱、偏移對稱等方式加載于矩形條帶結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。

所述金屬薄膜傳輸線可采用人工設(shè)計周期性枝節(jié)加載的金屬薄膜人工表面等離激元傳輸線。

所述金屬薄膜傳輸線的金屬薄膜可采用銀、銅、金等良導(dǎo)體。

所述介質(zhì)基板可采用柔性或非柔性低耗介質(zhì)板材，介質(zhì)基板可選自PCB板、硅基板、石英基板、聚酰亞胺等中的一種。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明屬于平面化結(jié)構(gòu)，采用人工設(shè)計周期性螺旋形枝節(jié)加載的方式構(gòu)成金屬薄膜傳輸線來導(dǎo)引微波與太赫茲人工表面等離激元，尺寸小，色散曲線在光錐線的右側(cè)并遠遠偏離光錐線，且具有一定的負折射現(xiàn)象，漸進頻率遠低于傳統(tǒng)人工表面等離激元波導(dǎo)的漸進頻率，可實現(xiàn)極強的亞波長尺度局域場束縛性能。

(2)本發(fā)明可以采用柔性基板，通過彎曲變形，能夠用于共形傳輸微波與太赫茲人工表面等離激元電磁波。

(3)本發(fā)明的傳輸特性主要取決于由金屬薄膜人工表面等離激元傳輸線單元及枝節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，人工設(shè)計方便、靈活，通過尺度變換，放大、縮小單元及枝節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，能夠用于微波、毫米波、遠紅外或其它頻段的人工表面等離激元電磁波的傳輸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例的周期單元結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的色散曲線圖。

圖4是本發(fā)明實施例在1.2THz時的電場分布圖。

圖5是基于本發(fā)明的雙面人工表面等離激元波導(dǎo)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步闡述本發(fā)明。

如圖1～5所示，本發(fā)明實施例設(shè)有金屬薄膜傳輸線1和介質(zhì)基板2；所述金屬薄膜傳輸線1設(shè)在介質(zhì)基板2的單側(cè)或雙側(cè)，所述金屬薄膜傳輸線1的周期單元結(jié)構(gòu)由矩形條帶結(jié)構(gòu)12加載人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)13構(gòu)成。

所述人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)13可采用圓形、橢圓形、三角形、矩形或多邊形等螺旋形結(jié)構(gòu)，所述人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)13可單獨加載于條帶枝節(jié)的一側(cè)或呈對稱、反對稱、偏移對稱等方式加載于矩形條帶結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。

所述金屬薄膜傳輸線1可采用人工設(shè)計周期性枝節(jié)加載的金屬薄膜人工表面等離激元傳輸線。所述金屬薄膜傳輸線1的金屬薄膜可采用銀、銅、金等良導(dǎo)體。

所述介質(zhì)基板2可采用柔性或非柔性低耗介質(zhì)板材，介質(zhì)基板2可選自PCB板、硅基板、石英基板、聚酰亞胺等中的一種。

所述介質(zhì)基板的材料選取Rogers RT5880，介電常數(shù)為2.2；金屬薄膜傳輸線的材料選取為銅。所述金屬薄膜傳輸線的周期單元結(jié)構(gòu)11如圖2所示，人工設(shè)計螺旋形枝節(jié)通過方形金屬薄膜片和矩形條帶連接，單元長度為d；矩形條帶方向與波導(dǎo)傳輸方向一致，其長度與單元長度相同；螺旋形枝節(jié)初始半徑為0，每繞一圈，半徑增加值為b＝2μm，本實施例所選取的螺旋枝節(jié)圈數(shù)為3；所述人工表面等離激元波導(dǎo)的傳輸性能及場束縛性能由人工設(shè)計枝節(jié)的尺寸和形狀決定。當選取所述單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：d＝14μm，w＝0.5μm，h＝12μm時，螺旋形枝節(jié)的總長度通過計算為56.55μm。利用電磁仿真軟件得到所述結(jié)構(gòu)的色散曲線如圖3所示，可見其色散曲線明顯偏離光錐線，并具有一定的負折射現(xiàn)象；仿真得到1.2THz歸一化電場分布如圖4所示，可以明顯觀察到電場主要分布在螺旋枝節(jié)的周圍，說明該結(jié)構(gòu)對人工表面等離激元具有很優(yōu)越的電場束縛性能。

將實施例的金屬薄膜傳輸線復(fù)制平移到介質(zhì)基板的另一側(cè)，并繞著X軸旋轉(zhuǎn)180度得到如圖5所示的雙側(cè)人工表面等離激元波導(dǎo)，通過仿真可以得到其色散曲線如圖3所示，可以觀察到，采用這種雙側(cè)結(jié)構(gòu)可以進一步降低其漸進頻率，降幅達到50％以上。