[发明专利]一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线

说明书

技术领域

本发明属于新型电磁超材料与应用领域，尤其涉及一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是一种表面电磁波模式，它通常存在于介电常数相反的两种材料表面，因为其表面波特征，某些频段的电磁波(如光波)能被约束在亚波长的空间范围。一般的表面等离激元主要存在于光波频段的纳米结构。亚波长小孔结构的理想导体等效介电常数，当电磁波入射到小孔时，小孔的衰减波导模式被激发，仅考虑起超透主导作用的基模，其计算结果表明：带有亚波长小孔的理想导体与等离子体材料具有近似的等效介电常数。从这一成果可知，当电磁波入射到带有亚波长小孔的理想导体时，会激发出类似于SPP的表面波，称之为准表面等离激元(Spoof Surface PlasmonPolaritons,SSPP)。SSPP研究不仅拓展了表面等离激元的研究内容，更拓展其应用的领域。为了激发微波频段的准表面等离激元，学者们提出两类方法：一类是通过掺杂半导体、高温超导材料等激发SSPP；另一种是通过金属表面微结构降低金属的表面等离子频率。前者主要是利用光热激发和离子注入等方法控制载流子浓度，使等离子体频率降低，实现低频段的SSPP。后者是由于周期结构化的金属表面可以支持SSPP的表面波模式。Metamaterial的快速发展为微波频段的SSPP研究注入了新的活力。分析了立体周期槽状结构的SSPP波传播特性，其研究结果表明所设计的槽结构能够支持0.8THz的SSPP波传播。在双面覆铜板的上层金属面蚀刻“王”字形结构，利用该结构激发SSPP。结合渐变的超表面(Metasurface)结构耦合出微波频段的SSPP，并分析了其结构上的SSPP表面波传播状态。分析了周期结构的宽带SSPP特征，研究发现周期的CSRR环能够支持SSPP表面波的传播。分析了圆形准超表面的表面等离激元现象，验证了该超表面在不同极化下均能够激发SSPP，研究结果表明该准超表面能有效调控电磁波的传播方向，改善准超表面的散射特性。这些研究都推进了SSPP的发展，但由于微波频段的SSPP非常新颖，因此关于其在天线中的应用鲜有报道。

现有微波频段的准表面等离激元结构由于所设计结构自身的非对称性问题而对入射波的极化十分敏感；根据结构的磁谐振特性，其大多只能激励起TM极化的SSPP，且其在天线中的应用往往会带来交叉极化分量的大幅提升和同极化散射的增强，因此很难兼顾天线的辐射和散射特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，旨在解决现有微波频段的准表面等离激元结构由于结构自身问题而对入射波的极化十分敏感，大多只能激励起TM极化的SSPP，且其在天线中的应用很难兼顾天线的辐射和散射特性的问题。

本发明是这样实现的，一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，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缝隙天线的背面馈电处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。

本发明的另一目的在于提供一种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，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。

进一步，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E(x,y,z)为：

其中，E₀为场强幅度，Kz、Kx表示波数在z和x轴方向的分量，电场方向沿着x轴方向；入射到金属上的电场分量为：

介质上的电场分量为：