本發(fā)明涉及一種基于人工表面等離激元的切倫科夫輻射裝置，屬于新型人工電磁材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高速帶電粒子在介質(zhì)中穿行時，當(dāng)粒子速度大于介質(zhì)中的相速度時，會激發(fā)出一種特殊的輻射——切倫科夫輻射。這種輻射是1934年由俄羅斯物理學(xué)家P.A.切倫科夫發(fā)現(xiàn)，1937年俄國物理學(xué)家I.M.弗蘭克和I.E.塔姆成功地解釋了切倫科夫輻射的成因。切倫科夫輻射是一種強偏振輻射，它所形成的輻射場將集中在粒子后方一個圓錐形區(qū)域中，這是帶電粒子在其運動軌跡上各點所輻射的波相互干涉形成的尾跡。并且，輻射波的方向與粒子運動方向之間的夾角θ稱為切倫科夫角，滿足cosθ＝c/nv，式中v為粒子速度，n為介質(zhì)折射率，c為真空光速。

表面等離激元是一種在光波段金屬―介質(zhì)分界面(或金屬―空氣界面)高度局域傳輸?shù)碾姶挪Ｊ剑趤啿ㄩL結(jié)構(gòu)的增透效應(yīng)、超分辨率成像、數(shù)據(jù)存儲、近場光學(xué)等領(lǐng)域的得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的表面等離激元研究在光波段，借助于新型人工電磁材料的概念——通過在金屬表面挖孔或刻槽等方式，人們在較低的頻段下(微波或太赫茲波段)成功模擬了表面等離激元在光波段的性質(zhì)，并且把這種特殊的結(jié)構(gòu)稱為人工表面等離激元。因此，人工表面等離激元是將表面等離激元的概念推廣到低頻段(微波或太赫茲波段)的一種應(yīng)用，并且它有助于減小器件尺寸在亞波長量級。微波頻段的人工表面等離激元導(dǎo)波結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)光波段的表面等離激元相似的傳輸特性，并且可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來調(diào)控其電磁特性。

表面等離激元是一種束縛的表面波模式，其波動量大于自由光子的動量，因此很難直接用表面等離激元直接轉(zhuǎn)化成空間電磁波。根據(jù)光學(xué)互易原理，尤其在設(shè)計表面等離激元功能器件時，空間波與表面等離激元波的高效轉(zhuǎn)換是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)難點；由于目前較低的轉(zhuǎn)化效率，這在很大程度上限制了表面等離激元器件的開發(fā)和應(yīng)用。因此，迫切需要找到一種途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸模式與輻射模式間的高效轉(zhuǎn)換。并且，通過模式轉(zhuǎn)換的研究可能會帶來一些新的耦合機制，能夠在很大程度上促進新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu)裝置及功能器件的發(fā)展。本發(fā)明基于已具有成熟加工技術(shù)和測試平臺的微波頻段，并且基于人工表面等離激元波導(dǎo)的相關(guān)輻射特性的研究，將會對未來光波段及太赫茲波段等離激元器件間模式轉(zhuǎn)換的研究做有益的參考。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：提供一種基于人工表面等離激元波導(dǎo)的輻射裝置，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠有效地將人工表面等離激元模式轉(zhuǎn)換成輻射模式，模擬切侖科夫輻射尾跡。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、低剖面，波束指向及波束寬度易于調(diào)控等優(yōu)點，方便的制作及集成，具有較高的實用價值。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于人工表面等離激元的切侖科夫輻射裝置，包括介質(zhì)基板及覆蓋在所述介質(zhì)基板上、下表面的兩層金屬片；兩層所述金屬片沿著金屬片延伸方向鏡像對稱；所述金屬片由反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿金屬片延伸方向周期排列構(gòu)成；所述反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由相互反對稱的金屬結(jié)構(gòu)通過匹配短截線連接而成；所述金屬結(jié)構(gòu)由金屬凹槽單元周期排列構(gòu)成。

在兩層所述金屬片兩端設(shè)有過渡結(jié)構(gòu)；所述過渡結(jié)構(gòu)為凹槽深度沿著端部向內(nèi)逐漸加深直至與所述反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)凹槽深度相等的周期性金屬凹槽結(jié)構(gòu)。

所述金屬凹槽單元的凹槽為等間隔等寬的矩形單元。

所述匹配短截線的寬度為波長的四分之一。

通過改變兩層所述金屬片橫向中心間的距離差調(diào)節(jié)所述裝置的色散特性及截止頻率。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)為二維平面結(jié)構(gòu)，制作簡單，便于集成。在微波波段，具有成熟的PCB加工技術(shù)及測量技術(shù)，能夠完成裝置實物的加工和測試。

2.本發(fā)明主要提出了一種基于人工表面等離激元導(dǎo)波輻射裝置，裝置的兩個主要功能：輸入端的導(dǎo)波到人工表面等離激元的激勵及人工表面等離激元到空間輻射模式的轉(zhuǎn)化。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計是基于單元凹槽的色散特性，利用布里淵圖的輻射區(qū)域概念，通過在結(jié)構(gòu)突變處激勵起高次模輻射。輸入端的共面設(shè)計，因而在器件和集成電路的設(shè)計中具有較大的靈活性。

3.本發(fā)明可以通過改變?nèi)斯る姶疟砻鎲卧Y(jié)構(gòu)的幾何尺寸來改變器件的輻射特性。調(diào)節(jié)簡單，擴展性良好。因為結(jié)構(gòu)整體上是利用金屬單元結(jié)構(gòu)的諧振效果來降低其等效的體相等離子諧振頻率，因此，通過調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)及周期尺寸，使等離子諧振頻率發(fā)生變化，從而改變其色散特性。

4.通過上、下層介質(zhì)之間的耦合能夠有效地減小裝置的尺寸。因其表面等離子頻率較現(xiàn)有技術(shù)進一步降低，從而可以使其次波長和場局域效應(yīng)顯著增強，可進一步減小尺寸。這種模式較傳統(tǒng)導(dǎo)波模式具有更小的等效波導(dǎo)波長，這個性質(zhì)可以用于構(gòu)建小型化的器件。

5.該輻射結(jié)構(gòu)可以在較寬的工作頻帶內(nèi)，實現(xiàn)微帶傳輸?shù)男盘柵c表面等離激元模式的信號的高效轉(zhuǎn)換。并且，波束的掃描角度隨頻率變化，具有切侖科夫的輻射角度特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中輻射裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖；1為介質(zhì)基板，2為第一金屬片，3為第二金屬片，4右下圖為一個周期的人工電磁表面單元對應(yīng)的等效阻抗電路，5匹配短截線，6左上插圖為對應(yīng)的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；其中，a為凹槽的寬度，h為凹槽的深度，p為凹槽單元的周期寬度。

圖2是本發(fā)明的加工實物圖的正、反面結(jié)構(gòu)。

圖3為本發(fā)明的切侖科夫輻射原理示意圖。

圖4是雙層金屬條帶的第一金屬片2和第二金屬片3橫向中心間的距離差g對應(yīng)于不同值的色散關(guān)系曲線，g的變化范圍從6mm到0mm；黑色線性實線為光線對應(yīng)的色散關(guān)系。

圖5是本發(fā)明中色散特性的理論曲線圖。黑色線性實線為光線的色散曲線，夾在兩條黑色實線間的陰影區(qū)域為輻射區(qū)域。

圖6本發(fā)明輻射裝置的電場仿真圖，當(dāng)上下層金屬片橫向中心間的距離差為g＝0時，在剖面處的電場矢量分布圖。

圖7本發(fā)明輻射裝置的電場仿真圖，當(dāng)上下層金屬片橫向中心間的距離差為g＝0時，在剖面處的電場矢量分布圖。

圖8是本發(fā)明在XOY平面上的近場電場仿真圖。(圖(a)—(d)分別對應(yīng)于4個不同頻點12GHz、12.7GHz、15.2GHz、15.8GHz，從圖中可以看到，輻射波束的偏轉(zhuǎn)方向滿足方程：θ_c(w)＝sin^-1[c/nv_p)]＝sin^-1[cβ(w)/w]。

圖9是本發(fā)明中裝置的端口參數(shù)曲線圖。

圖10是計算求得對應(yīng)各頻點的泄漏因子圖，通過測量本發(fā)明中結(jié)構(gòu)的S參數(shù)計算求得對應(yīng)各頻點的泄漏因子圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)的說明。

圖1給出了相位反轉(zhuǎn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖及其截面示意圖6。整個裝置可以被看作是由多個平行的傳輸線段串聯(lián)連接構(gòu)成。如圖1所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板1以及覆蓋在介質(zhì)基板1上、下表面的兩層金屬片。兩層金屬片的結(jié)構(gòu)由金屬凹槽單元沿金屬片延伸方向周期排列構(gòu)成，上、下層金屬片具有相同的金屬圖形，并且相對于參考平面(XOZ平面)鏡像對稱，第一金屬片2上的凹槽開口方向和第二金屬片3上的凹槽開口方向相反。

同軸波導(dǎo)端口饋入模式為TEM模式，與人工表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所支持的TM模式之間存在模式失配，考慮人工表面等離激元波導(dǎo)阻抗與饋入端波導(dǎo)之間阻抗與波矢匹配的情況下，需要在圖2結(jié)構(gòu)的兩端增加一段漸變過渡結(jié)構(gòu)匹配。運用漸變凹槽的過渡段結(jié)構(gòu)，能夠有效地實現(xiàn)了金屬光柵結(jié)構(gòu)到人工表面電磁單元間的轉(zhuǎn)換。即在整個結(jié)構(gòu)位于金屬片兩端的凹槽深度分別沿著從端部至中間逐漸加深，直至和位于金屬片中部的凹槽的深度相等。金屬片兩端通過逐漸加深凹槽深度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)人工表面等離激元的有效激勵，將輸入端的導(dǎo)波模式成功轉(zhuǎn)換為人工表面等離激元模式。

人工表面等離激元導(dǎo)波的金屬片上的凹槽為等間隔等寬的矩形單元，并形成周期性的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的形成是由原先的單邊周期性金屬結(jié)構(gòu)每隔長度為T/2將金屬結(jié)構(gòu)沿著y＝g/2軸線鏡像對稱形成，鏡像單元與相鄰的單元間由寬度為d的匹配短截線5連接，即反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由相互反對稱的金屬結(jié)構(gòu)通過匹配短截線5連接而成；其中，T為周期，g為上下層金屬片橫向中心間的距離差，為垂直于金屬片延伸方向上上下層金屬片中心之間的距離。層間的耦合系數(shù)取決于傳輸線段間的橫向距離差，即傳輸線段的上下層金屬片橫向中心間的距離差g，由反轉(zhuǎn)導(dǎo)致任意相鄰的長度為T/2的兩個平行傳輸線段結(jié)構(gòu)對應(yīng)于不同g值。圖中，相鄰傳輸線段分別對應(yīng)g＝0和g＝6mm。這樣將會形成兩個不同等效特性阻抗如圖1中6所示的Z₀₁和Z₀₂，這將在結(jié)構(gòu)連接處由于阻抗不連續(xù)性引入阻抗突變。因此，匹配短截線5通常采用波長的四分之一，在阻抗間形成有效地阻抗變換抑制局部反射。匹配短截線5也可以被視為是兩個不同特性阻抗值的半波長平行線段間連接一個四分之一波長的阻抗變換段。

在本發(fā)明中，介質(zhì)板的厚度t＝0.17mm，介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.65。凹槽的寬度a＝0.6mm，凹槽的深度h＝1.2mm，凹槽單元的周期寬度p＝1.5mm，連接金屬條帶寬度d＝0.45mm。

本發(fā)明所提出的切侖科夫輻射裝置的工作原理如下：

在沒有引入本發(fā)明的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)時，傳輸線是一個由單元沿著金屬片延伸方向拓?fù)渑帕械娜斯け砻娴入x激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它是一種束縛的導(dǎo)波(無輻射)結(jié)構(gòu)。在色散特性的理論曲線圖5中，可以看出本發(fā)明的雙層金屬片結(jié)構(gòu)具有一種趨于某頻率截止的慢波色散特性。這種特性使得結(jié)構(gòu)上、下層金屬片間具有較強的電磁耦合，相比于傳統(tǒng)的微帶線，具有更高的束縛性以減小相互間的串?dāng)_。并且，對應(yīng)于不同的橫向距差g，平行凹槽的色散曲線都位于第一布里淵輻射區(qū)域外，因此結(jié)構(gòu)本身是一種非輻射的模式。在該結(jié)構(gòu)中激勵的人工表面等離激元是一種起僅在周期方向為傳播模式的表面波，在另外兩個正交方向上表現(xiàn)為自然指數(shù)衰減的表面等離激元模式。其色散行為的表現(xiàn)類比于光學(xué)波段下表面等離激元的色散性質(zhì)。當(dāng)頻率接近結(jié)構(gòu)的截至頻率時，其表現(xiàn)出更加顯著的場束縛及亞波長特性。采用反對稱的梳狀結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元波導(dǎo)具有非常強的場局域效果，使得該波導(dǎo)具有較高的抗干擾性，這樣傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高速電路中具有潛在的應(yīng)用前景。

當(dāng)在波導(dǎo)中引入相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)后，整個導(dǎo)波結(jié)構(gòu)變成以長度T為周期的新結(jié)構(gòu)。根據(jù)Floquet定理，周期結(jié)構(gòu)會生成高次諧波，它們之間的色散關(guān)系滿足：

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

并且，由于每個T/2長度的單元與其相鄰的單元結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致相位反轉(zhuǎn)(相位差半個周期)，使得使色散曲線沿著水平方向向左平移π。這樣，如圖5所示，高次模(-1次模)的色散曲線剛好經(jīng)過一布里淵輻射區(qū)域區(qū)域，該模式的波形成輻射。

圖2是本發(fā)明的加工實物圖，如圖2所示，上圖為上層金屬片的正視圖，下圖為下層金屬片的正視圖。

圖3本發(fā)明的切侖科夫輻射原理示意圖，如圖3所示，輻射的運動軌跡在傳播方向后方呈圓錐形，這是波在傳播過程中相互干涉疊加形成的尾跡，并且錐角滿足切倫科夫輻射的角度方程。

圖4是雙層金屬條帶的第一金屬片2和第二金屬片3橫向中心間的距離差對應(yīng)于不同g的色散關(guān)系曲線圖。如圖4所示，通過改變第一金屬片2和第二金屬片3橫向中心間的距離差g，可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)單元的色散特性及截止頻率。從圖4中我們比較，雙層結(jié)構(gòu)的色散曲線較單層條帶結(jié)構(gòu)更偏離于光線的色散曲線，這意味著雙層結(jié)構(gòu)對于電磁場的局域特性更強。

圖5是本發(fā)明中色散特性的理論曲線圖。如圖5所示，經(jīng)過該區(qū)域中的色散曲線滿足輻射條件，屬于快波輻射。n＝-1次色散曲線是n＝0次色散曲線根據(jù)公式(1)所求得。由于相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的色散曲線(虛線)對應(yīng)的曲線表示將-1次曲線向左平移一個相位π。同時，它與由角度方程所計算出來的三角形點所擬合的曲線幾乎吻合。圖中的A、B、C分別為與圖中光線的色散線和垂直坐標(biāo)的交點。

圖9是本發(fā)明中裝置的端口參數(shù)曲線圖。如圖9所示，在12-16GHz頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11小于-10dB，并且S21小于-30dB，表明該裝置在工作頻帶內(nèi)絕大部分能量被輻射出去。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。