[发明专利]一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线

权利要求书

1.一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的辐射口径为面积相同的圆形结构，圆的半径为r₁＝68mm；SSPP缝隙天线的介质板厚度为1mm；SSPP缝隙天线背面的馈电处20mm×40mm面积为金属，其中心位置为26mm×2mm的缝隙，其余位置不镀金属，介质板的介电常数为2.65，损耗角正切小于0.001。

2.一种如权利要求1所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法利用渐变双边锯齿金属结构设计出激励出SSPP的圆形准超表面，准超表面能够在低频段与电场方向平行的金属结构上激励出SSPP，形成SSPP模式表面波，增强表面波的能量传播；准超表面结构的厚度为1.0mm，金属双边锯齿结构的相关尺寸分别为：r₁＝68mm,w₁＝32mm,w₂＝3.7mm,w₃＝2mm,P＝5mm,α＝25deg，金属厚度为0.036mm；介质板的介电常数为2.65，介质板背面无金属层。

3.如权利要求2所述的所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法利用金属双边锯齿结构能够激励出准表面等离激元，实现辐射电磁波到SSPP模式的表面波转换，入射电磁波的电场为：

$E(x,y,z)=E_0{e}^{i(k_{x}x-k_z|z|-\mathrm{\ω}t)};$

其中，电场方向沿着x轴方向；入射到金属上的电场分量为：

$E_{(x,y,z)}^{metallic}=\left[\begin{array}{c}{E}_x^m\\ E_y^m\\ E_z^m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_0{e}^{i(k_{x}x-k_{z1}|z|-\mathrm{\ω}t)}\\ 0\\ E_0(-k_x/k_{z1})e^{i(k_{x}x-k_{z1}|z|-\mathrm{\ω}t)}\end{array}\right];$

介质上的电场分量为：

$E_{(x,y,z)}^{dielectric}=\left[\begin{array}{c}{E}_x^d\\ E_y^d\\ E_z^d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_0{e}^{i(k_{x}x-k_{z2}|z|-\mathrm{\ω}t)}\\ 0\\ E_0(-{\mathrm{\ϵ}}_1{k}_x/{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{z1})e^{i(k_{x}x-k_{z2}|z|-\mathrm{\ω}t)}\end{array}\right];$

k_z1和ε₁表示双边锯齿结构金属层的波数和介电常数，k_z2和ε₂表示介质层的波数和介电常数；得到电磁波传到金属层和介质层之间时，其电磁波的衰减长度为：

$\hat{z}=\frac{1}{\left|k_z\right|};$

根据连续性边界条件，进一步得到如下色散关系：

$k_x=\frac{\mathrm{\ω}}{c}{n}_{SSPP};$

$k_{z1,2}^2={\mathrm{\ϵ}}_{1,2}{(\mathrm{\ω}/c)}^2-k_x^2;$

其中，k_x表示沿着x轴方向的电磁波传播系数；对于金属与介质结构，SSPP的折射系数n_SSPP为：

$n_{sspp}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2/({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)};$

k_x进一步化简为：

$k_x=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2/({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)}=k_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2/({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)};$

其中，k₀＝w/c＝2πf/c为自由空间的波数，c为光速，写为：

$k_{z1,2}^2={\mathrm{\ϵ}}_{1,2}{k}_0^2\[1-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}\right)}^2\];$

双边锯齿金属结构激励的SSPP模的表面波传播系数k_x为：

$k_x=k_0\sqrt{1+\frac{{(P-w_3)}^2}{P^2}{\tan }^2\left(k_{0}d\right)};$

当0<k₀d<π/2时，k_x为一个实数，并且k_x>k₀。