人工表面等離激元及其在微波頻段的應(yīng)用

湯文軒 張浩馳 崔鐵軍

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人工表面等離激元及其在微波頻段的應(yīng)用

湯文軒 張浩馳 崔鐵軍*

(東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210096)

在微波頻段采用超薄鋸齒狀金屬條帶可實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元，將電磁場能量束縛在亞波長區(qū)域內(nèi)傳播。該文分析了人工表面等離激元特有的高束縛、低損耗、可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，研究了人工表面等離激元波導(dǎo)作為一種新型的高性能傳輸線在微波電路中的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展現(xiàn)狀，探討了這一技術(shù)的發(fā)展方向和前景。

人工表面等離激元；微波；傳輸線；小型化；可調(diào)控

1 引言

自然界中的表面等離激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)存在于遠(yuǎn)紅外以上的頻段，是由外界電磁場與金屬表面區(qū)域的自由電子相互作用形成的沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿╗1]。在金屬與電介質(zhì)分界面的一側(cè)，在等離子體頻率以下的頻段范圍內(nèi)，金屬的介電常數(shù)實(shí)部為負(fù)值；另一側(cè)，電介質(zhì)材料的介電常數(shù)為正值。根據(jù)電磁場邊界條件，為了保證電位移矢量的法向分量連續(xù)，分界面上將出現(xiàn)表面極化電荷。表面電荷在與其共振頻率相同的電磁場作用下發(fā)生集體振蕩，顯現(xiàn)出獨(dú)特的電磁特性：沿著分界面導(dǎo)行的表面等離激元波可以將電磁能量束縛在很小的亞波長范圍內(nèi)進(jìn)行傳播；而在垂直于分界面的方向，電磁場能量呈指數(shù)衰減[2]。表面等離激元波的傳輸損耗主要來自于金屬損耗。

表面等離激元獨(dú)特的傳播特性，使其成為實(shí)現(xiàn)全光集成、下一代更小、更快、更高效光子電路的重要希望[3]。隨著納米加工和制備技術(shù)以及理論模擬分析手段的快速發(fā)展，人們對(duì)表面等離激元的機(jī)理和應(yīng)用研究越來越廣泛和深入，并迅速發(fā)展出一門新興學(xué)科——等離激元光子學(xué)(Plasmonics)。近年來，越來越多的研究者希望將表面等離激元的優(yōu)異性能應(yīng)用到微波、毫米波頻段小型化器件與電路的研發(fā)中。遺憾的是，由于金屬的等離子體頻率處于紅外和光波段，在微波和毫米波頻段，金屬的行為更加接近理想導(dǎo)電體而非電等離子體，所以在這些波段并不存在表面等離激元模式。

為了在微波、毫米波頻段模擬光波段的表面等離激元，英國帝國理工學(xué)院Pendry爵士及合作者在金屬表面上通過設(shè)計(jì)人工周期介質(zhì)孔陣列結(jié)構(gòu)(如圖1(a)所示)，有效降低了人工金屬表面的等離子體頻率，從而構(gòu)建出微波和毫米波頻段的人工表面等離激元(Spoof SPP，又稱為Designer SPP)，其色散曲線可以模擬光波段表面等離激元的色散曲線，其物理特征和光波段表面等離激元極其相似[4]。相比于自然存在的表面等離激元，人工表面等離激元具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：第一，由于結(jié)構(gòu)化的表面等離子體頻率遠(yuǎn)低于金屬本身的等離子體頻率，因此具有較小的損耗；第二，可以通過改變金屬表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來靈活控制人工表面等離激元的色散特性，進(jìn)而獲得可調(diào)控、可重構(gòu)、智能化的電路、器件或天線。這一開創(chuàng)性的工作于2004年在《科學(xué)》雜志上發(fā)表。此后，多種不同結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元效應(yīng)被相繼報(bào)道，工作頻率覆蓋了微波、毫米波和太赫茲波段。例如圖1(b)所示是一個(gè)工作在微波頻段的3維梯形槽金屬光柵結(jié)構(gòu)的彎曲雙向人工表面等離激元分波器[13]，凹槽的寬度和周期尺寸遠(yuǎn)小于工作波長，電磁場能量被束縛在亞波長區(qū)域內(nèi)傳播。實(shí)驗(yàn)證明這一結(jié)構(gòu)不僅具有分波功能，而且可以實(shí)現(xiàn)高效的彎曲傳輸。

上述文獻(xiàn)中都采用了立體形式的結(jié)構(gòu)引導(dǎo)人工表面等離激元傳播。為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)小型化、低剖面、高度集成電路/系統(tǒng)的需求，人們一直在探索人工表面等離激元的平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)[14]。2013年，東南大學(xué)崔鐵軍教授等人[15]提出了一種超薄厚度(接近于零厚度)的共形人工表面等離激元結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。這是一種印制在柔性超薄介質(zhì)襯底上的褶皺金屬條帶，具有亞波長寬度，其厚度僅有工作波長的幾百分之一，在與電磁表面波傳輸方向垂直的兩個(gè)維度上電場都按指數(shù)規(guī)律衰減，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的亞波長束縛傳輸。由這種超薄結(jié)構(gòu)人工表面等離激元構(gòu)成的功能器件可以突破衍射極限，把電磁波有效地局域在一個(gè)很小的亞波長區(qū)域內(nèi)傳播。從加工工藝而言，這是一種2維表面結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)的微帶傳輸線類似(但不需要金屬地)，可采用現(xiàn)有的電路板加工技術(shù)(微波段)或平面光刻技術(shù)(太赫茲波段)，加工方便，可實(shí)現(xiàn)極高集成度，易于與現(xiàn)有技術(shù)集成。更進(jìn)一步，可以通過采用柔性電路板實(shí)現(xiàn)不規(guī)則表面共形，實(shí)現(xiàn)電磁表面波沿任意彎曲表面的高效傳輸。除了柔性可共形人工表面等離激元結(jié)構(gòu)之外，國內(nèi)外研究人員還提出了多種平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其中，背面有金屬地的褶皺金屬條帶由于可以和傳統(tǒng)微帶線高度集成，也具有廣泛的應(yīng)用前景。這一技術(shù)被應(yīng)用于65 nm CMOS片上系統(tǒng)中(見圖1(d))，與傳統(tǒng)微帶傳輸線相對(duì)比，人工表面等離激元傳輸線的線間串?dāng)_在220 GHz至325 GHz頻段內(nèi)可以降低19 dB。上述工作都展示了人工表面等離激元波導(dǎo)作為一種新型的高性能傳輸線，其優(yōu)異的物理性質(zhì)可極大地提升現(xiàn)有微波器件與系統(tǒng)的性能。

本文將針對(duì)人工表面等離激元結(jié)構(gòu)的傳輸特性及其在微波段的應(yīng)用進(jìn)行討論。首先分析人工表面等離激元結(jié)構(gòu)的色散特性和設(shè)計(jì)方法，然后介紹這一新型傳輸線在微波電路和器件中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對(duì)其發(fā)展方向和前景進(jìn)行探討。

圖1 幾種人工表面等離激元結(jié)構(gòu)

2 人工表面等離激元(SSPP)的特性

2.1 人工表面等離激元的色散特性

微波段人工表面等離激元結(jié)構(gòu)作為一種新型的波導(dǎo)傳輸線，由一系列亞波長金屬凹槽單元實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，通常采用印制板電路工藝實(shí)現(xiàn)。根據(jù)表面等離激元理論，橫電(Transverse Electric, TE)模式的電磁波由于不存在垂直于分界面的電場分量，無法在分界面上感應(yīng)出極化電荷，因此SSPP傳輸線只能工作在橫磁(Transverse Magnetic, TM)模式。

根據(jù)波導(dǎo)傳輸線理論，人工表面等離激元在傳播方向(圖2中方向)上的波數(shù)k與空氣中的波數(shù)0滿足式(1)所示關(guān)系：

采用微擾近似計(jì)算方法，用不計(jì)損耗時(shí)導(dǎo)波的傳輸功率取代實(shí)際傳輸功率，則在輸入功率相同的條件下，兩種不同傳輸線的衰減常數(shù)比值()可以近似為[20]

(3)

其中01和02分別是兩種傳輸線在無耗條件下的場分布，是介質(zhì)區(qū)域面積。式(3)表明，傳輸線的場局域性越強(qiáng)，在相同介質(zhì)環(huán)境中的衰減常數(shù)就越大，傳輸損耗越高。換句話說，損耗越高的傳輸線，其橫向衰減常數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的波數(shù)k值也越大。

圖3是利用本征模展開法分析得到的微波段人工表面等離激元傳輸線色散曲線例圖(假設(shè)在該頻段金屬無損耗)。人工表面等離激元的色散曲線位于光線的右側(cè)，在相同頻率下，其波數(shù)k大于自由空間的光波數(shù)0。這一點(diǎn)與自然界中表面等離激元特性相吻合。對(duì)于介質(zhì)背面附著金屬地的SSPP傳輸線，其色散曲線全部位于空氣中光線、介質(zhì)中光線以及微帶線色散曲線的右側(cè)，表明該傳輸線相比于微帶線在整個(gè)通帶內(nèi)對(duì)電磁波都具有更好的束縛能力，線間耦合更小、信號(hào)串?dāng)_更低。而另一種人工表面等離激元傳輸線(背面無金屬地的SSPP傳輸線)，其色散曲線全部位于空氣中光線的右側(cè)，與微帶線的色散曲線在某頻點(diǎn)相交(圖3中虛線標(biāo)出)。在虛線以上的頻率，該SSPP傳輸線相比于微帶線對(duì)電磁波具有更好的束縛能力；在虛線以下的頻率，該傳輸線相比于微帶線具有更低的能量損耗，傳輸效率更高。

圖2 人工表面等離激元結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 平面SSPP傳輸線在微波段的色散曲線分布例圖

與光波段表面等離激元概念不同，人工表面等離激元的一個(gè)重要特征是其色散特性可由其幾何尺寸來調(diào)控，因此也被稱為可設(shè)計(jì)的表面等離激元。這一特性可以與新型人工電磁材料(Metamaterials)通過設(shè)計(jì)亞波長諧振單元陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電磁參數(shù)調(diào)控的特性相類比。作為一種新型平面波導(dǎo)，人工表面等離激元傳輸線的色散曲線可以通過圖4(b)所示的金屬凹槽的深度、寬度、周期長度、介質(zhì)基板厚度和電特性等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，使其色散曲線在光線右側(cè)按設(shè)計(jì)需求偏移，從而在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)波導(dǎo)的傳播常數(shù)，在高束縛和低損耗兩種模式中自由選擇，有助于實(shí)現(xiàn)微波器件、電路和系統(tǒng)的小型化和智能化。

2.2 人工表面等離激元的高束縛特性

人工表面等離激元提供的高束縛特性可以用于抑制傳輸線的鄰間互耦，解決大規(guī)模電路中的信號(hào)完整性及鄰間互耦問題與器件小型化之間的矛盾。為了充分發(fā)揮這一特性，在文獻(xiàn)[23]中，研究者提出了一種新型雙面結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元傳輸線，相比于單面結(jié)構(gòu)，電磁場被更緊密地束縛在亞波長結(jié)構(gòu)之間，色散曲線進(jìn)一步偏離光線(如圖4(c)所示)。該傳輸線一方面可突破傳輸?shù)皖l電磁波的限制，另一方面可實(shí)現(xiàn)高度場局域化效果，在深度亞波長的間距(小于3 %波長尺度)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了鄰間波導(dǎo)之間的有效隔離，線間耦合比同尺寸傳統(tǒng)微帶線低10 dB以上，特殊頻點(diǎn)小4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖4 應(yīng)用SSPP傳輸線突破信號(hào)完整性的挑戰(zhàn)[23]

由于在與電磁表面波傳輸方向垂直的兩個(gè)維度上電場都按指數(shù)規(guī)律衰減，人工表面等離激元傳輸線間的低耦合特性也可以用于設(shè)計(jì)多層電路板以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信號(hào)的大容量、高效率、低串?dāng)_傳輸。文獻(xiàn)[24]對(duì)多層SSPP傳輸線(圖5)的傳輸效率進(jìn)行了探索性研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過結(jié)構(gòu)彎曲和金屬通孔過渡，可以在兩層傳輸線之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸，在2.26~11.8 GHz頻段內(nèi)，200 mm距離的傳輸損耗小于1 dB。

2.3 人工表面等離激元的低損耗特性

另一方面，在場束縛能力較弱的頻段內(nèi)，人工表面等離激元傳輸線表現(xiàn)出低損耗的特性。這一特性也可用于解決現(xiàn)有微波傳輸線理論與技術(shù)中難以突破的損耗問題。文獻(xiàn)[20]提供了一種獲得較高傳輸系數(shù)的方案。通過調(diào)節(jié)人工表面等離激元結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以控制SSPP傳輸線色散曲線的分布，在需要的頻段內(nèi)獲得較小的波數(shù)。例如，在圖6(a)中，當(dāng)亞波長凹槽深度的取值變化時(shí)，SSPP傳輸線的色散曲線發(fā)生了顯著偏移。當(dāng)槽深時(shí)，SSPP傳輸線的色散曲線在幾乎整個(gè)通帶內(nèi)均位于微帶線的左側(cè)，顯現(xiàn)出更低的場束縛性、更低的能量損耗和更高的傳輸效率；在12.0 GHz以下，SSPP傳輸線相較于共面波導(dǎo)(CPW)顯現(xiàn)出更高的傳輸效率。若改變槽深的取值，當(dāng)時(shí)，在11.4 GHz以下，SSPP傳輸線相較于微帶線顯現(xiàn)出更高的傳輸效率。圖6(b)中的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了在11.4 GHz以下，SSPP傳輸線的傳輸系數(shù)相較于微帶線明顯提高。采用這一方案，就可以靈活控制傳輸線的損耗特性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸。

圖5 多層SSPP傳輸線設(shè)計(jì)示意圖[24] 圖6 調(diào)節(jié)人工表面等離激元結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)高效傳輸[20]

2.4人工表面等離激元波與傳統(tǒng)導(dǎo)波的高效轉(zhuǎn)換

表面等離激元的波數(shù)明顯大于傳統(tǒng)空間導(dǎo)波的波數(shù)，因此這種電磁波模式很難被自由空間波和傳統(tǒng)導(dǎo)波模式直接激勵(lì)。自然存在的表面等離激元通常采用棱鏡和衍射光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行激發(fā)[14]，而對(duì)于微波人工表面等離激元而言，常用的激勵(lì)方式包括以下幾種。

(1)采用低色散、低損耗的金屬線作為激勵(lì)。當(dāng)圓柱金屬線上的導(dǎo)波模是零階TM模時(shí)，可以和人工表面等離激元的零階TM模實(shí)現(xiàn)模式匹配[25,26]。在微波頻段，金屬線可以用外伸的同軸線內(nèi)導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)[13,15]。但是這一激勵(lì)方式效率較低，不適合工程應(yīng)用。

(2)利用具有梯度性質(zhì)電磁參數(shù)的新型人工電磁表面(Metasurface)或新型人工電磁材料耦合器實(shí)現(xiàn)電磁波傳播波和表面波的轉(zhuǎn)換。這一激勵(lì)方式效率較高，不足之處是轉(zhuǎn)換部分占用較大空間，轉(zhuǎn)換效率對(duì)入射波束極化與寬度較為敏感，轉(zhuǎn)換過程中可能存在較大散射。

(3)對(duì)于SSPP傳輸線，簡單緊湊的高效激勵(lì)方式是這種新型平面波導(dǎo)能夠被大范圍施用于工程實(shí)踐的前提。為了保證人工表面等離激元的平面結(jié)構(gòu)不變，可以采用共面波導(dǎo)作為傳統(tǒng)傳輸線，通過特殊設(shè)計(jì)衰減地結(jié)構(gòu)和漸變槽深結(jié)構(gòu)(見圖7示意圖)，實(shí)現(xiàn)波動(dòng)量和波阻抗的寬帶匹配，將信號(hào)由傳統(tǒng)波導(dǎo)過渡到新型SSPP波導(dǎo)[30]。對(duì)于帶有金屬地的SSPP傳輸線，也可以通過漸變槽深結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)微帶線的過渡。

3 人工表面等離激元在微波段的應(yīng)用發(fā)展

如上文所述，人工表面等離激元的低損耗特性可用于構(gòu)造新一代微波電路中的高效傳輸線。另一方面，其獨(dú)特的亞波長束縛能力所帶來的低耦合和低折彎損耗特性，被寄予厚望用來克服傳統(tǒng)技術(shù)無法突破的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)高集成、高效率的新型微波電路和系統(tǒng)。針對(duì)這一目標(biāo)，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出了多種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出一系列性能良好的表面等離激元器件。此處僅對(duì)作者所在課題組發(fā)表的部分代表性工作進(jìn)行介紹。

3.1 人工表面等離激元無源器件研究

這一類微波器件利用了人工表面等離激元的高束縛、低損耗特性，通過對(duì)亞波長結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在需求頻段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的有效控制，相比現(xiàn)有微波器件，具有結(jié)構(gòu)更緊湊、性能更靈活可控等優(yōu)點(diǎn)。目前報(bào)道的無源微波器件主要包括低互耦差分傳輸線[22]、功率分配器、濾波器、耦合器[40]、分頻器[41]、諧振腔[21]等等。另外，一些采用人工表面等離激元的無源天線也被相繼報(bào)道。

由于人工表面等離激元的色散特性可以通過亞波長結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，因此在設(shè)計(jì)功能器件時(shí)，可以很容易實(shí)現(xiàn)高效的波數(shù)和阻抗匹配。圖8(a)所示是一個(gè)Y型功率分配器。通過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，單路和雙路SSPP傳輸線的色散曲線在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)基本一致，因此實(shí)現(xiàn)了低損耗的功率均分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在6~12 GHz的寬頻帶內(nèi)，兩輸出端口的輸出能量幾乎一致，傳輸系數(shù)都在-4 dB左右。人工表面等離激元功分器也可以用于構(gòu)架緊湊天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)。例如，圖8(b)中，區(qū)域I中的輸入信號(hào)經(jīng)過區(qū)域II所示功分網(wǎng)絡(luò)，等幅同相地對(duì)區(qū)域III中的輻射單元進(jìn)行饋電。區(qū)域III中的輻射單元具有漸變相位梯度，因此可以實(shí)現(xiàn)波束定向輻射。這一功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案可用于更大規(guī)模人工表面等離激元天線陣列中。

圖7 實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)與SSPP傳輸線的寬帶高效匹配轉(zhuǎn)換[30] 圖8 SSPP用于功分設(shè)計(jì)

濾波器是無線通信及雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分，研制基于表面等離激元的濾波器具有重要意義。圖9(a)展示了一種寬帶頻率選擇表面等離激元，其功能表現(xiàn)為一種帶通濾波器。該結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電，利用槽深漸變的褶皺帶線和開口金屬地結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從共面波導(dǎo)到表面等離激元波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用耦合帶線實(shí)現(xiàn)帶通功能。類似地，圖9(b)和圖9(c)中的另一個(gè)帶通濾波器通過傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)(SIW)進(jìn)行饋電，在表面等離激元波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)的截止頻率之間形成通帶。表面等離激元濾波器的頻率選擇范圍可由結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)控制，具有設(shè)計(jì)簡單、易于加工、柔韌度高、體積小、頻率選擇效果好等優(yōu)點(diǎn)。

不同人工表面等離激元結(jié)構(gòu)對(duì)頻率具有選擇特性，還可以用于設(shè)計(jì)頻率分離器。文獻(xiàn)[41]中，研究者在柔性印制電路板上周期性刻蝕深度交替出現(xiàn)的凹槽形成復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該結(jié)構(gòu)能同時(shí)傳輸兩個(gè)表面等離激元模式，而且它們均對(duì)應(yīng)單周期光柵結(jié)構(gòu)的主模，其截止頻率分別受深凹槽和淺凹槽的深度獨(dú)立控制。這一設(shè)計(jì)方案極大方便了對(duì)雙帶人工表面等離激元波工作頻率的控制。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的分頻器(詳見圖10)，采用復(fù)合周期光柵結(jié)構(gòu)傳輸兩個(gè)模式，復(fù)合周期光柵的另一端設(shè)計(jì)兩個(gè)單周期分支，對(duì)復(fù)合周期結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)膬蓚€(gè)模式進(jìn)行分離。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有良好的分頻效果。

圖9 SSPP用于濾波器設(shè)計(jì) 圖10 超薄雙波段表面等離子體波導(dǎo)和頻率分離器[41] 圖11 人工表面等離激元波開關(guān)示意圖[46]

3.2有源人工表面等離激元器件

關(guān)于人工表面等離激元有源器件的研究剛剛起步。目前已報(bào)道的工作主要包括：利用變?nèi)荻O管或者偏壓二極管芯片，實(shí)現(xiàn)電控可調(diào)的人工表面等離激元器件，例如SSPP開關(guān)[45,46]；利用三極管芯片設(shè)計(jì)人工表面等離激元功率放大器和二次倍頻器等[47,48]。

由于人工表面等離激元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其色散特性具有重要影響，通過參數(shù)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)通/斷切換。但是這一調(diào)控作用在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)確定，因此無法實(shí)現(xiàn)器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控和重構(gòu)。解決此問題的一個(gè)有效方案是在SSPP傳輸線中加載變?nèi)荻O管以改變傳輸線的等效電容，從而達(dá)到通過電壓控制SSPP傳輸特性的目的。文獻(xiàn)[46]報(bào)道了一個(gè)人工表面等離激元波開關(guān)(圖11)。由于人工表面等離激元波的能量高度集中在結(jié)構(gòu)周圍，對(duì)傳輸線附近的外部電磁場具有高度敏感性。當(dāng)傳輸線周圍存在處于諧振狀態(tài)的開口環(huán)諧振器(SRR)時(shí)，絕大部分能量被吸收，人工表面等離激元波無法傳輸。開口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)中加載了壓控變?nèi)荻O管，通過電壓控制SRR的諧振頻率，可以實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元波的頻率開關(guān)。

表面等離激元因?yàn)槠滹@著的場局域與增強(qiáng)效應(yīng)表現(xiàn)出很多奇異性質(zhì)，在光學(xué)和微波頻段有很多潛在應(yīng)用。但也正是因?yàn)檫@兩個(gè)特點(diǎn)使得這種表面波模式對(duì)于介質(zhì)和金屬的損耗更為敏感。因此，如果將其作為傳輸電磁能量的媒介，則需對(duì)其進(jìn)行損耗補(bǔ)償?；谶@一重要的物理背景，有效的寬帶放大在表面等離激元電路中顯得尤為重要。文獻(xiàn)[47]報(bào)道了采用在微波領(lǐng)域已經(jīng)很成熟的半導(dǎo)體芯片來進(jìn)行表面等離激元波放大的工作。由于單導(dǎo)體人工表面等離激元無法方便地集成有源芯片，該設(shè)計(jì)中采用了雙層人工表面等離激元結(jié)構(gòu)(見圖12)，從而實(shí)現(xiàn)了微波段表面等離激元波的放大。

通過加載微波有源芯片還可以實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元非線性器件(圖13)。文獻(xiàn)[48]報(bào)道了通過在雙層人工表面等離激元結(jié)構(gòu)中加入非線性器件，能夠在較寬的頻帶范圍內(nèi)高效地激發(fā)人工表面等離激元的二次諧波。該二次諧波生成器件可作為人工表面等離激元倍頻器。這種方案完全不同于光波段的方案，僅需要一個(gè)亞波長尺度的有源芯片便可實(shí)現(xiàn)具有增益補(bǔ)償?shù)亩沃C波現(xiàn)象。

圖12 人工表面等離激元寬帶放大器[47]　　　　 圖13 人工表面等離激元二次諧波的激發(fā)[48]

4 討論與展望

人工表面等離激元最為重要的特性就是提供了一種在亞波長尺度下調(diào)控其近場分布的方法與手段。本文討論了這兩個(gè)特點(diǎn)的重要應(yīng)用價(jià)值：抑制傳輸線中的鄰間互耦和構(gòu)建低損耗傳輸線。這兩個(gè)典型應(yīng)用有望解決大規(guī)模集成電路中現(xiàn)存的諸多問題。

目前這一領(lǐng)域的大部分研究均局限于SPP相關(guān)理論與無源器件設(shè)計(jì)上。事實(shí)上，盡管國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛深入的研究，但是這些研究是割裂的、非系統(tǒng)的。與之相關(guān)的成熟電路理論也尚未被提出。因此，可以說：“盡管這個(gè)領(lǐng)域的研究非常具有吸引力，但其依然具有很大的提升空間?！绷硪粋€(gè)重要的方面，由于上述提到的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)幾乎都是依賴于引入周期性的結(jié)構(gòu)，而并不與任何一個(gè)自然坐標(biāo)系重合，因此要得到一個(gè)可以解析的場解是十分困難的。所以想要得到相關(guān)的理論模型，等效電路法等電路理論反而是一種值得嘗試的方法。相對(duì)于無源器件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前這方面的研究顯得較為薄弱。由于缺少這種有效的電路模型，相關(guān)的設(shè)計(jì)主要依賴于仿真軟件的嘗試，因此對(duì)相關(guān)器件的快速綜合帶來了極大的困難，阻礙了其在工業(yè)應(yīng)用中的推廣。

對(duì)于微波器件而言，僅僅實(shí)現(xiàn)一系列無源器件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于普通的無源器件，無法提供諸如線性放大、顯著的非線性以及非互易等特性，難以支撐起相關(guān)應(yīng)用需求。由此看來，在人工表面等離激元體系中引入有源器件是十分必要的。但是，與無源器件相比，關(guān)于有源器件的研究報(bào)道還十分稀少。最近，作者所在團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩篇相關(guān)的報(bào)道，分別是有關(guān)人工表面等離激元波的線性放大及二次諧波產(chǎn)生[47,48]。這兩篇文章均采用了微波中常用的未封裝芯片，并使用邦定線將人工表面等離激元的金屬結(jié)構(gòu)與有源芯片相互連接，從而形成有效的電通路以維持器件正常工作。但是這兩個(gè)工作僅僅是非常初步的探索，尚未涉及很多有源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，因此在這一方面仍然有很大的探索空間。

除了有源器件之外，更加重要的是，人工表面等離激元技術(shù)可與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)互相結(jié)合與互相促進(jìn)。相對(duì)于光波頻段的表面等離激元技術(shù)來說，由于微波頻段存在功能強(qiáng)大的半導(dǎo)體芯片，因此其有源技術(shù)與光波段有著明顯的不同。在光波段，往往需要借助大體積的光學(xué)增益材料或者非線性材料才能實(shí)現(xiàn)，并且這種光學(xué)方案具有限制。因?yàn)檫^大的正虛部和非線性項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致材料中場模式的畸變，從而使得在其中傳播的場型不再屬于表面等離激元模式。但是在微波頻段，卻不需要這樣的擔(dān)心，可以通過成熟的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定制化的目的。

總而言之，作為一種新型的微波傳輸線，人工表面等離激元傳輸線借鑒了光波段表面等離激元在亞波長尺度操縱場分布的思想，通過簡單的周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)類似的場型。在傳統(tǒng)微波技術(shù)中，其可以看作是微波慢波結(jié)構(gòu)的一種。但時(shí)，值得強(qiáng)調(diào)的是，并非所有的傳統(tǒng)微波慢波傳輸結(jié)構(gòu)均是人工表面等離激元結(jié)構(gòu)。其主要區(qū)別是，人工表面等離激元結(jié)構(gòu)在分界面兩邊均呈現(xiàn)出指數(shù)凋落型的場，而多數(shù)慢波結(jié)構(gòu)存在導(dǎo)波模式。正是由于這個(gè)原因，通過人工表面等離激元技術(shù)可以操縱橫截面場分布，進(jìn)而操縱電磁波的行為，按照需求構(gòu)建出具有特殊性質(zhì)的傳輸線形式。因此，人工表面等離激元波導(dǎo)作為一種新型的高性能傳輸線，其優(yōu)異的物理性質(zhì)可能極大地提升現(xiàn)有微波器件與系統(tǒng)的性能。

[1] BARNES W L, DEREUX A, and EBBESEN T W. Surface plasmon subwavelength optics[J]., 2003, 424: 824-830. doi: 10.1038/nature01937.

[2] MAIER S A. Plasmonics: Fundamentals and Applications[M]. New York: Springer, 2007, Chapter 1.

[3] LIU N, WEN F, ZHAO Y,Individual nanoantennas loaded with three-dimensional optical nanocircuits[J]., 2013, 13(1): 142-147. doi: 10.1021/nl303689c.

[4] PENDRY J B, MARTIN-MORENO L, and GARCIA- VIDAL F J. Mimicking surface plasmons with structured surfaces[J]., 2004, 305(5685): 847-848. doi: 10.1126/ science.1098999.

[5] A. P. HIBBINS A P, EVANS B R, and SAMBLES J R. Experimental verification of designer surface plasmons[J]., 2005, 308(5722): 670-672. doi: 10.1126/science. 1109043.

[6] GARCIA-VIDAL F J, MARTIN-MORENO L, and PENDRY J B. Surfaces with holes in them: new plasmonic metamaterials[J].:, 2005, 7(2): S97-S101. doi: 10.1088/1464-4258/7/2/ 013.

[7] MAIER S A, ANDREWS S R, MARTIN-MORENO L,. Terahertz surface plasmon-polariton propagation and focusing on periodically corrugated metal wires[J]., 2006, 97(17): 176805(1-4). doi: 10.1103/ PhysRevLett.97.176805.

[8] CHEN Yongyao, SONG Zhenming, LI Yanfeng,Effective surface plasmon polaritons on the metal wire with arrays of subwavelength grooves[J]., 2006, 14(26): 13021-13029. doi: 10.1364/OE.14.013021.

[9] WILLAMS C R, ANDREW S R, MAIER S A,. Highly confined guiding of terahertz surface plasmon polaritons on structured metal surfaces[J]., 2008, 2(3): 175-179. doi: 10.1038/nphoton.2007.301.

[10] GAN Qiaoqiang, FU Zhan, DING Yujie,Ultrawide- bandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures[J]., 2008, 100(25): 256803(1-4). doi: 10.1103/PhysRevLett.100.256803.

[11] MORENO E, RODRIGO S G, BOZHEVOLNYI S I,Guiding and focusing of electromagnetic fields with wedge plasmon polaritons[J]., 2008, 100(2): 023901(1-4). doi: 10.1103/PhysRevLett.100.023901.

[12] NAGPAL P, LINQUIST N C, Oh S H,Ultrasmooth patterned metals for plasmonics and metamaterials[J]., 2009, 325(5940): 594-597. doi: 10.1126/science. 1174655.

[13] ZHOU Yongjin, JIANG Quan, and CUI Tiejun. Bidirectional bending splitter of designer surface plasmons[J]., 2011, 99(11): 111904(1-4). doi: 10.1063/ 1.3639277.

[14] LOCKYEAR M J, HIBBINS A P, and SAMBLES J R. Microwave surface-plasmon-like modes on thin metamaterials[J]., 2009, 102(7): 073901(1-4). doi: 10.1103/PhysRevLett.102.073901.

[15] SHEN Xiaopeng, CUI Tiejun, MARTIN-CANO D,. Conformal surface plasmons propagating on ultrathin and flexible films[J]., 2013, 110(1): 40-45. doi: 10.1073/pnas. 1210417110.

[16] WU J J. Subwavelength microwave guiding by periodically corrugated strip line[J]., 2010, 104: 113-123. doi: 10.2528/PIER10021202.

[18] ZHANG Wenxuan, ZHU Guiqiang, SUN Liguo,. Trapping of surface plasmon wave through gradient corrugated strip with underlayer ground and manipulating its propagation[J]., 2015, 106(2): 021104(1-6). doi: 10.1063/1.4905675.

[19] LIANG Yuan, YU Hao, ZHANG Haochi,. On-chip sub-terahertz surface plasmon polariton transmission lines in CMOS[J]., 2015, 5: 14853(1-13). doi:10.1038/srep14853.

[20] ZHANG Haochi, ZHANG Qian, LIU Junfeng,. Smaller-loss planar SPP transmission line than conventional microstrip in microwave frequencies[J]., 2016, 6: 23396(1-10). doi: 10.1038/srep23396.

[21] SHEN Xiaopeng, and CUI Tiejun. Planar plasmonic metamaterial on a thin film with nearly zero thickness[J]., 2013, 102(21): 211909(1-4). doi: 10.1063/1.4808350.

[22] WU J J, HOU D J, LIU K X,. Differential microstrip lines with reduced crosstalk and common mode effect based on spoof surface plasmon polaritons[J]., 2014, 22(22): 26777-26787. doi: 10.1364/OE.22.026777.

[23] ZHANG Haochi, CUI Tiejun, ZHANG Qian,. Breaking the challenge of signal integrity using time-domain spoof surface plasmon polaritons[J]., 2015, 2(9): 1333-1340. doi: 10.1021/acsphotonics.5b00316.

[24] PAN Baicao, ZHAO Jie, LIAO Zhen,. Multi-layer topological transmissions of spoof surface plasmon polaritons[J]., 2016, 6: 22702(1-9). doi: 10.1038/srep22702.

5.并購價(jià)值的效應(yīng)體現(xiàn)。一個(gè)是效益效應(yīng)，據(jù)某些資料顯示，對(duì)于雙方融資成立的新公司，首次融資已經(jīng)超33億元，融資后公司的估值可超180億元，這是全球范圍最大的私募融資之一，這有利于新企業(yè)在未來的時(shí)間內(nèi)上市。兩家的合并重構(gòu)使得用戶數(shù)量急劇上升，覆蓋的群體范圍以及地域范圍也擴(kuò)大。新公司覆蓋了超過2800個(gè)縣、市、區(qū)，日訂單量突破1000萬單，移動(dòng)端月度活躍用戶超1.5 億人，年購買用戶近2億人，2015年總交易額超過1700億元人民幣。另一個(gè)是戰(zhàn)略效應(yīng)，對(duì)于企業(yè)來說，拿下O2O市場，就有在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主動(dòng)權(quán)，未來發(fā)展的潛力不可限量，美團(tuán)與大眾點(diǎn)評(píng)的戰(zhàn)略整合，兩家企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于公司的長遠(yuǎn)發(fā)展。

[25] WANG K L and MITTLEMAN D M．Metal wires for terahertz wave guiding[J]., 2004, 432(7015): 376-379. doi: 10.1038/nature03040.

[26] WANG K L and MITTLEMAN D M. Dispersion of surface plasmon polaritons on metal wires in the terahertz frequency range[J]., 2006, 96(15): 157401(1-4). doi: 10.1103/PhysRevLett.96.157401.

[27] SUN Shulin, HE Qiong, XIAO Shiyi,. Gradient-index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves[J]., 2012, 11(5): 426-431. doi: 10.1038/NMAT3292.

[28] WU Chenjun, CHENG Yongzhi, WANG Wenying,. Ultra-thin and polarization-independent phase gradient metasurface for high-efficiency spoof surface-plasmon- polariton coupling[J]., 2015, 8(12): 122001(1-4). doi: 10.7567/APEX.8.122001.

[29] SUN Wujiong, HE Qiong, SUN Shulin,. High-efficiency surface plasmon meta-couplers: Concept and microwave- regime realizations[J]., 2016, 5: e16003(1-6). doi: 10.1038/lsa.2016.3.

[30] MA Huifeng, SHEN Xiaopeng, CHENG Qiang,. Broadband and high-efficiency conversion from guided waves to spoof surface plasmon polaritons[J]., 2014, 8(1): 146-151. doi: 10.1002/lpor.201300118.

[31] LIU Liangliang, LI Zhuo, XU Bingzheng,. High- efficiency transition between rectangular waveguide and domino plasmonic waveguide[J]., 2015, 5(2): 027105(1-9). doi: 10.1063/1.4907879.

[32] GAO Xi, ZHOU Liang, YU Xingyang,. Ultra-wideband surface plasmonic Y-splitter[J]., 2015, 23(18): 23270-23277. doi: 10.1364/OE.23.023270.

[33] XU Junjun, YIN Jiayuan, ZHANG Haochi,. Compact feeding network for array radiations of spoof surface plasmon polaritons[J]., 2016, 6: 22692(1-7). doi: 10.1038/srep22692.

[34] ZHU Zhihong, GARCIA-ORTIZ C E, HAN Zhanghua,Compact and broadband directional coupling and demultiplexing in dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguides based on the multimode interference effect[J]., 2013, 103(6): 061108(1-5). doi: 10.1063/1.4817860.

[35] XU Bingzheng, LI Zhuo, LIU Liangliang,. Tunable band-notched coplanar waveguide based on localized spoof surface plasmons[J]., 2015, 40(20): 4683-4686. doi: 10.1364/OL.40.004683.

[36] GAO Xi, ZHOU Liang, LIAO Zhen,. An ultra-wideband surface plasmonic filter in microwave frequency[J]., 2014, 104(19): 191603(1-5). doi: 10.1063/ 1.4876962.

[37] PAN Baicao, LIAO Zhen, ZHAO Jie,Controlling rejections of spoof surface plasmon polaritons using metamaterial particles[J]., 2014, 22(11): 13940-13950. doi: 10.1364/OE.22.013940.

[38] YIN Jiayuan, REN Jian, ZHANG Haochi,Broadband frequency-selective spoof surface plasmon polaritons on ultrathin metallic structure[J]., 2014, 5: 8165(1-5). doi: 10.1038/srep08165.

[39] ZHANG Qian, ZHANG Haochi, WU Han,. A hybrid circuit for spoof surface plasmons and spatial waveguide modes to reach controllable band-pass filters[J]., 2015, 5: 16531(1-9). doi: 10.1038/srep16531.

[40] LIU Xiaoyong, FENG Yijun, CHEN Ke,. Planar surface plasmonic waveguide devices based on symmetric corrugated thin film structures[J]., 2014, 22(17): 20107-20116. doi: 10.1364/OE.22.020107.

[41] GAO Xi, SHI Jinhui, SHEN Xiaopeng,Ultrathin dual-band surface plasmonic polariton waveguide and frequency splitter in microwave frequencies[J]., 2013, 102(15): 151912(1-4). doi: 10.1063/ 1.4802739.

[42] BAI Xue, QU Shiwei, and YI Huan. Applications of spoof planar plasmonic waveguide to frequency-scanning circularly polarized patch array[J].-, 2014, 47(32): 325101(1-7). doi: 10.1088/0022-3727/ 47/32/325101.

[43] WU Jinjei, WU Chienjang, SHEN Jianqi,. Properties of transmission and leaky modes in a plasmonic waveguide constructed by periodic subwavelength metallic hollow blocks [J]., 2015, 5: 14461(1-10). doi: 10.1038/ srep14461.

[44] CAI Bengeng, LI Yunbo, MA Huifeng,Leaky-wave radiations by modulating surface impedance on subwavelength corrugated metal structures[J]., 2016, 6: 23974(1-7). doi: 10.1038/srep23974.

[45] WAN Xiang, YIN Jiayuan, ZHANG Haochi,. Dynamic excitation of spoof surface plasmon polaritons[J]., 214, 105(8): 083502(1-4). doi: 10.1063/ 1.4894219.

[46] XU Jie, ZHANG Haochi, TANG Wenxuan,Transmission-spectrum-controllable spoof surface plasmon polaritons using tunable metamaterial particles[J]., 2016, 108(19): 191906(1-5). doi: 10.1063/1. 4950701.

[47] ZHANG Haochi, LIU Shuo, SHEN Xiaopeng,. Broadband amplification of spoof surface plasmon polaritons at microwave frequencies[J]., 2015, 9(1): 83-90. doi: 10.1002/lpor.201400131.

[48] ZHANG Haochi, FAN Yifeng, GUO Jian,. Second- harmonic generation of spoof surface plasmon polaritons using nonlinear plasmonic metamaterials[J]., 2016, 3(1): 139-146. doi: 10.1021/acsphotonics.5b00580.

湯文軒： 女，1984年生，講師，主要研究方向?yàn)樾滦腿斯る姶挪牧霞叭斯け砻娴入x激元的理論和應(yīng)用、微波電路和天線設(shè)計(jì).

張浩馳： 男，1991年生，博士生，研究方向?yàn)槿斯け砻娴入x激元的理論和應(yīng)用、微波毫米波電路系統(tǒng)設(shè)計(jì).

崔鐵軍： 男，1965年生，教育部長江學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾滦腿斯る姶挪牧霞叭斯け砻娴入x激元的理論和應(yīng)用、計(jì)算電磁學(xué)及其快速算法、目標(biāo)特性與目標(biāo)識(shí)別.

Spoof Surface Plasmon Polariton and Its Applications to Microwave Frequencies

TANG Wenxuan ZHANG Haochi CUI Tiejun

(,,210096,)

Spoof Surface Plasmon Polariton (SSPP), which possesses extraordinary ability of sub-wavelength- scaled field confinement, can be realized by an ultrathin corrugated metallic strip at microwave frequencies. Advantages of SSPP such as the high confinement, low loss, and controllable dispersion properties are analyzed in this paper. SSPP waveguide, a novel high-performance transmission line, is studied for its great potentials in modern integrated circuits. A series of reported applications for microwave circuits/devices are reviewed. In the end, future development of this technique is discussed.

Spoof Surface Plasmon Polariton (SSPP); Microwave; Transmission line; Miniaturization; Controllable

O441.4

A

1009-5896(2017)01-0231-09

10.11999/JEIT160692

2016-07-04；改回日期：2016-09-20；

2016-11-17

崔鐵軍 tjcui@seu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(61571117，61631007，61401089，61302018，61501112，61501117)，國家儀器專項(xiàng)(2013YQ200647)，111創(chuàng)新引智計(jì)劃(111-2-05)

The National Natural Science Foundation of China (61571117, 61631007, 61401089, 61302018, 61501112, 61501117), The National Instrumentation Program (2013YQ- 200647), The 111 Project (111-2-05)