一种基于人工表面等离子体激元的小型化低剖面天线

针对高度集成化移动设备对贴片天线小型化与低剖面的需求,提出了一款基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的小型化高效率低剖面端射天线,通过在传统孔型单元中引入叉指分支,可有效减小SSPPs传输线的宽度,从而实现天线小型化。该设计结合SSPPs传输线非对称结构和导向枝节结构,实现了天线的端射,并兼具单层低剖属性。实测结果表明,该天线的工作带宽为8.68~9.25 GHz,且在整个工作带宽范围内天线的平均增益和辐射效率分别达到10.05 dB和91.5%。

基于人工表面等离子体激元的毫米波高扫描率四波束漏波天线

为灵活控制波束以增强多目标探测和跟踪功能,研制了基于人工表面等离子体激元(SSPP)的毫米波四波束高扫描率漏波天线(LWA)。根据正弦电抗调制叠加理论,对基片集成波导(SIW)槽缝形成的SSPP结构进行多周期性叠加调控,实现四波束扫描LWA。为改善天线的法向辐射性能,在SIW下表面周期性开槽,消除LWA的阻带效应。对设计的LWA进行加工和测试,结果表明在29 GHz~30.2 GHz的频带内,该天线的四个波束能从-52°连续扫描到+22°,扫描率达到18°/%BW,节约了频谱资源,并提高了多目标探测效率。

基于人工表面等离子体激元的小型化低通双陷波滤波器

该文提出了一种由单边复合周期人工表面等离子体激元(SSPPs)波导和叉指谐振器构成的新型小型化低通双陷波滤波器。该滤波器首先去除了传统SSPPs滤波器的模式转换结构,有效地减小了滤波器的尺寸,从而实现滤波器的小型化。此外,该滤波器分别在SSPPs传输线和底部金属板引入叉指谐振器,从而产生两个传输零点,实现了两个可独立调谐的陷波。仿真与实测结果均表明,该文所提出的滤波器具有较高的传输效率,其截止频率为8.3 GHz,带内的回波损耗低于16.6 dB,陷波抑制均达到20 dB。

基于人工表面等离子体激元带通滤波器的设计

设计了基于人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,spoof SPPs)的带通滤波器,在介质基板上覆上一层超薄金属铜,并将金属表面刻为周期波纹状金属条,同时结合马赫曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer,MZI),将金属条设计为MZI结构,并对MZI的干涉臂设计了两个取向相反的金属条结构,构成滤波器耦合部分,分析了耦合间距以及耦合单元个数对带通滤波器带宽的影响并进行了仿真。结果表明,该滤波器具有–3 d B从4.8 GHz到8.3 GHz的带宽。基于人工等离子体激元的带通滤波器的设计为今后人工表面等离子体在微波行业的应用提供了思路。

基于新型蝶形单元结构人工表面等离子体激元低通陷波滤波器的设计

为降低滤波器的插入损耗以及实现滤波器的小型化,该文提出一种新型具有陷波功能的人工表面等离子体激元(SSPPs)低通滤波器,该滤波器主要由新型蝶形单元结构、过渡结构以及用于实现陷波功能的叉指电容环路谐振器(IDCLLR)结构组成。新型蝶形单元结构是由一个椭圆形贴片向左右方向旋转30°构成,经过镂空处理后可以显著降低插入损耗,相比传统的矩形和椭圆形结构具有更好的色散特性,大大提高了滤波器的带内的平坦度和带外抑制能力。该文对矩形、椭圆形、梯形以及新型蝶形等不同单元结构的色散曲线进行了分析,并仿真分析了滤波器的S21和S11曲线,验证了新型蝶形单元结构在色散特性、插入损耗、低截止频率和带外抑制方面所具有的优势。最后,对该滤波器进行了加工和测试,测试结果表明,该滤波器仿真结果和测试结果吻合较好,表现出较好的带外抑制和带内平坦度,可以实现对特定干扰频段陷波抑制。滤波器尺寸为0.98λ_(0)×0.17λ_(0)。该人工表面等离子体激元滤波器从设计新型单元结构的角度出发,实现了良好性能的同时,实现了滤波器的小型化。

基于螺旋磁谐振单元的人工表面等离子体激元色散特性研究

针对人工表面等离子体激元(SSPPs)传输时损耗较大的问题,提出了一种基于超薄金属螺旋形单元的链式结构,并对链式结构的传输特性和色散特性进行仿真和分析。研究发现,利用5个螺旋单元结构组成的链式结构会出现5个谐振峰,这5个谐振峰分别对应5个磁谐振耦合模式。通过谐振法测定了相对应的色散特性,分别对螺旋臂宽度、中心圆半径以及基底厚度进行了参数扫描研究。结果表明,基于超薄金属螺旋单元的链式结构能够支持磁偶极子模式的人工表面等离激元的传播,并可以通过改变链式结构的模型参数来调制色散特性。

基于人工表面等离子体激元和基片集成波导的带通滤波器设计

目的:设计一种基于人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)和基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)的带通滤波器。方法:在介质基底上刻蚀周期性工字型槽构成SSPPs波导,结合SIW结构在波导传播方向上形成强耦合,使能量高度局域化,并在通带频段高效传输,实现带通滤波器的效果。通过仿真分析单元结构的色散特性、滤波器的S参数和模拟电场分布图,对滤波器的结构参数进行了优化,提升其性能。结果:设计的带通滤波器通带为11.07~20.73 GHz,通带内的插入损耗小于3 dB,带外抑制深度均超过-35 dB,最大达到-55 dB以上。结论:本文设计的滤波器性能可以保证信息的完整性从而高效地进行电磁波的传输。该滤波器结构紧凑、简单,通带内的损耗低,阻带抑制能力较强,使其在微波通信和集成电路系统的领域中都有很好的应用前景和发展潜力。

基于液晶聚合物基板的人工表面等离子体激元设计

人工表面等离子体激元(SSPPs)作为一种新型的传输线结构,以其低的损耗、高束缚性受到研究者的广泛关注。详细研究了SSPPs结构模型的色散曲线,并利用液晶聚合物(LCP)技术在50μm厚度的LCP基板设计并加工了一款SSPPs传输线结构。测试结果表明,该传输线结构的截止频率为25GHz,在DC-25GHz通带频率内,回波损耗小于-12dB,插入损耗优于-1.5dB。该SSPPs结构采用传统的共面波导(CPWG)馈电,通过渐变槽深结构,实现波动量和波阻抗的宽带匹配,将信号由传统共面波导过渡到新型的SSPPs波导。结果表明,此波导结构将在微波电路应用中有很大的发展前景。

基于人工表面等离子体激元的超宽带带通滤波器

人工表面等离子体激元(Spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)具有低损耗、高束缚、高传输效率的特点,被广泛应用于微波器件设计。提出了一种新型SSPPs单元,与传统单元相比具有更多的可调节参数。以此为基础设计了一款基于SSPPs的低通滤波器,该低通滤波器与具有高通特性的短路枝节相级联,最终设计实现了一款超宽带带通滤波器。这款超宽带带通滤波器高、低截止频率可单独调节,具有结构简单、小型化等特点。实测结果显示该滤波器-3 dB通带范围为3~13 GHz,带宽达到了125%,同时其回波损耗优于-13 dB。

表面等离子体激元的原理与应用

光与物质之间的相互作用,被视为光学应用的最基础物理问题。由光与凝聚态物质之间的相互作用形成的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs),是一种新型的元激发准粒子,因其具有独特的色散和局域场增强特性引起广泛关注。SPPs器件打破了传统光学衍射限制,在纳米光子器件中有独特优势,应用于微纳光子学的前沿研究。阐述了SPPs的色散关系、激发方式、传播形式和物理性质,重点探讨了SPPs在波导、近场光学、传感器、生物医疗、光子芯片、表面增强拉曼散射和太阳能电池等方面的应用,并提出了研究前景。

基于人工表面等离子激元的宽带谐振天线

针对传统微带和介质谐振天线(DRA)带宽较窄和尺寸较大的问题,提出了一种基于人工表面等离子激元波导谐振腔的宽带天线。该天线人工表面等离子激元(SSPPs)波导由对称的H型单元结构组成,谐振腔由同轴探针馈电,利用波导单元偶模和奇模两种模式的色散特性,实现了天线带宽的显著增大。该天线工作频段为8.8~12.4 GHz,相对带宽为33.9%。在工作频带内,天线的辐射效率大于92%,最大增益达到了6.8 dBi。此外,天线为低剖面结构,整体尺寸较小,结构简单,利于各种无线通信和传感系统的集成。

太赫兹人工表面等离子体共面激发与高Q传感

本文提出使用单层光栅超表面结构耦合的方式实现太赫兹人工表面等离子体激元(SSP)共面激发,克服了通过介质耦合器在实际应用时需要反射测量等缺点。在单层金属结构上同时构造周期性光栅和太赫兹SSP复合结构,当太赫兹波垂直入射时,可实现光栅波矢和SSP波矢相匹配,激发SSP模式,在透射谱中可以产生高Q值谐振峰,其Q因子可以达到1923。分析了结构参数对光栅耦合超表面透射谱以及色散特性的影响。基于该结构透射谱中的高Q谐振峰进行传感研究,在谐振中心频率为0.22 THz时,实现传感灵敏度为67 GHz/RIU。本文所提出的光栅耦合超表面复合结构仅使用单层超表面结构实现了太赫兹SSP模式的激发以及高Q传感,在诸多实际应用领域具有较大的研究潜力。

基于人工表面等离子体激元的多频带滤波器设计

基于人工表面等离子体激元(SSPPs)设计了具有陷波功能的多频带滤波器。首先,在波导结构上引入了渐变槽形单元结构,以获得更好的色散特性,并在此基础上构建了截止频率为7.1 GHz的低通滤波器。然后,通过加载E形谐振器激发陷波,形成多频带滤波器,该谐振器有奇偶模两种谐振模式。当奇偶谐振模式同时被激发时,构成了插入损耗为3 dB、截止频率为2.83 GHz的低通滤波器和插入损耗为3 dB,带宽为2.94~4.37 GHz和4.40~7.10 GHz的两个带通滤波器。在偶模式下的谐振退化消失时,构成了插入损耗为3 dB、截止频率为2.83 GHz的低通滤波器和插入损耗为3 dB、截止频率为2.94~7.10 GHz的带通滤波器。证明了基于E型谐振器的多频带滤波器结构对SSPPs在微波领域的拓展具有重要意义。

基于圆形腔的表面等离子体带阻滤波器研究

为研究弯曲波导结构的双边耦合效应对耦合强度的影响,提出一个弯曲波导耦合内嵌十字银条的圆形空腔带阻滤波器,采用有限元法对滤波器结构进行仿真分析。与现有直波导耦合内嵌十字银条的圆形空腔结构对比,弯曲波导结构具有更好的滤波性能,例如最小透射率降低10.44%;改变银条尺寸时模式2阻带透射率值降低近60%。进一步研究表明,通过调整内嵌银条尺寸及相对角度能够实现共振波长调谐、单频带与双频带的切换以及对半峰带宽等的控制,最小半峰带宽分别为11.0152 nm和9.9869 nm。并且对于介质折射率的变化(变化范围为1~1.12),该结构折射率灵敏度保持恒定。所提出的滤波器结构具有良好的频选及窄带带阻滤波特性,在窄带滤波和波分复用等系统中具有重要应用价值。

基于InP工艺的小型化亚太赫兹人工表面等离子体激元传输线设计

提出了一种基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的亚太赫兹片上传输线,并在InP工艺基础上对其进行了结构设计和实物加工。为减小传统矩形槽SSPPs结构的占地面积,提出了一种折叠型SSPPs结构,在相同的渐近频率下,该结构的占地面积缩小了57.2%。利用接地共面波导(GCPW)和阶梯渐变结构,实现了对SSPPs传输线的高效激励。利用太赫兹在片测试系统对该传输线进行了测试。测试结果表明,在110~170 GHz频带范围内,SSPPs传输线的插入损耗小于3 dB/mm,回波损耗优于12.5 dB,且实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式;层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多;在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.

基于人工表面等离子体激元高阶模式的带通滤波器

基于人工表面等离子体激元(SSPPs)的一阶高次模,设计了一种具有优异带通性能的滤波器。所采用的SSPPs单元结构为类八木天线结构,该结构可以有效降低SSPPs的渐近频率。此外,通过改变SSPPs单元结构的几何参数,可独立控制其渐近频率和与自由空间中光线的交点频率。与具有低通特性的SSPPs基模相比,一阶高次模具有天然的带通特性,且不需要采用额外的阶梯渐变过渡结构。为了验证SSPPs高阶模式应用于带通滤波器设计的可行性,制作并测量了基于该方法的SSPPs滤波器。测试结果表明,该滤波器在6~9.9 GHz的通带频率范围内的插入损耗小于1 dB,带内回波损耗优于10 dB,实验结果与仿真结果具有良好的吻合度。

基于人工表面等离激元的小型化电可调缺口带滤波器

具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景.本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器.与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比,所提出的倒山形单元的色散曲线表现出更好的慢波特性,渐近频率降低至原来的55%.缺口带的频率可通过调整变容二极管两端的偏置电压来动态控制.随着偏置电压从0.5 V增至30 V,缺口带频率从2.1 GHz移动到2.3 GHz,实现动态调节.仿真结果表明,缺口带滤波器通带内实现了较低的插入损耗(S_(21)<-1 dB)和良好的回波损耗(S_(11)>-10 dB),并且具有小型化的优势,尺寸仅为0.78λ_(g)×0.35λ_(g),λ_(g)是中心频率处的波长.采用印刷电路板技术实际加工了缺口带滤波器.实物测量和仿真结果吻合较好,验证了设计的可靠性.

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。