人工表面等離激元波導(dǎo)及天線若干進(jìn)展

葉龍芳，王正一，陳仲凱，安國(guó)騰

(1.廈門大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 電磁聲學(xué)研究院，福建 廈門 361005;2.東南大學(xué) 毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096)

0 引言

表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)一般是指介質(zhì)或自由空間中的電磁波與金屬表面自由電子相互作用而形成的沿著界面?zhèn)鞑サ碾姶挪Ｊ?，具有亞波長(zhǎng)電磁束縛性能與突破衍射極限能力，在亞波長(zhǎng)集成光波導(dǎo)、光子器件及系統(tǒng)的應(yīng)用中極具潛力[1-2]。常見(jiàn)貴金屬材料(如金、銀等)的特征等離子頻率位于紅外和光波段，若采用光滑表面的金屬線、金屬板波導(dǎo)直接傳輸微波與太赫茲表面等離激元，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)波場(chǎng)的束縛性能十分微弱，容易對(duì)臨近電路系統(tǒng)造成干擾。為了將表面等離激元的優(yōu)異特性遷移至微波與太赫茲波段，提升微波與太赫茲波導(dǎo)及器件性能與小型化水平，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的J.B.Pendry教授團(tuán)隊(duì)于2004年首次提出了人工表面等離激元 (Spoof SPPs,SSPPs,或Designer SPPs) 的概念[3]，在微波與太赫茲波等低頻段實(shí)現(xiàn)類似于光頻段電表面等離激元的色散特性和亞波長(zhǎng)場(chǎng)束縛性能。人工表面等離激元技術(shù)是一項(xiàng)能有效操控微波與太赫茲波特性的新技術(shù)。而研發(fā)小型化高性能微波與太赫茲人工表面等離激元波導(dǎo)、器件與天線，則是人工表面等離激元由“概念”走向“應(yīng)用”的基礎(chǔ)，有望為微波與太赫茲波導(dǎo)、器件與天線的小型化、集成化設(shè)計(jì)提供一條有效的新途徑。

本文將簡(jiǎn)要地綜述人工表面等離激元波導(dǎo)、功能器件、頻掃漏波天線、渦旋波天線的若干最新研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，為新型人工表面等離激元波導(dǎo)與天線的開(kāi)發(fā)及微波與太赫茲電路、器件及系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 人工表面等離激元波導(dǎo)

波導(dǎo)是引導(dǎo)傳輸電磁波的基本結(jié)構(gòu)，是電磁波信息傳輸?shù)摹皹蛄骸焙汀巴ǖ馈?，也是?gòu)成各種功能器件、電路、天線與集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單元。人工表面等離激元波導(dǎo)因其具有靈活的色散調(diào)控能力與出色的導(dǎo)波場(chǎng)束縛性能，使其在微波與太赫茲電路、天線與集成系統(tǒng)中的應(yīng)用及電磁兼容問(wèn)題的解決方面極具潛力。

近年來(lái)，關(guān)于人工表面等離激元波導(dǎo)方面的研究已取得了一系列進(jìn)展，其結(jié)構(gòu)形式也從起初的立體塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)展到易于集成的平面結(jié)構(gòu)。早期，J.B.Pendry教授等人提出了一種亞波長(zhǎng)周期陣列開(kāi)孔的塊狀金屬結(jié)構(gòu)表面的人工表面等離激元波導(dǎo)[3]，如圖1(a)所示。其色散關(guān)系可表示為：

(a) 周期開(kāi)孔的塊狀金屬SSPP波導(dǎo)

(1)

式中，k‖為沿導(dǎo)體表面方向上的波數(shù)；ω為角頻率；ωpl為等效等離子頻率或SSPPs的截止頻率：

(2)

因此，通過(guò)人工設(shè)計(jì)金屬表面的亞波長(zhǎng)周期陣列孔的結(jié)構(gòu)尺寸，可以實(shí)現(xiàn)操控所引導(dǎo)電磁波的等離激元頻率及其傳播特性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)周期性孔、柱、槽等方式，設(shè)計(jì)了多種立體結(jié)構(gòu)人工表面等離激元波導(dǎo)[4-11]。例如，一維/二維周期性槽、孔加載的立體塊狀金屬人工表面等離激元波導(dǎo)，周期性環(huán)形、螺旋型刻槽的金屬線人工表面等離激元，周期性加載矩形、T形、L形、楔形以及凹形槽等塊狀結(jié)構(gòu)加載的“多米諾骨牌”型人工表面等離激元波導(dǎo)等。雖然這些波導(dǎo)均在微波或太赫茲波段展現(xiàn)出類似光波段常規(guī)金屬表面等離激元所具有的色散特性和亞波長(zhǎng)場(chǎng)束縛性能，但因其龐大的三維結(jié)構(gòu)，難以在大規(guī)模集成器件電路與系統(tǒng)中應(yīng)用。為了解決這一難題，2013年，東南大學(xué)崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)提出了一種共形人工表面等離激元(Conformal Surface Plasmons,CSPs)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[12]，該結(jié)構(gòu)由柔性介質(zhì)基板及其表面上的超薄梳狀金屬條帶組成，實(shí)現(xiàn)了人工表面等離激元波導(dǎo)由立體結(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。平面人工表面等離激元波導(dǎo)不僅在結(jié)構(gòu)尺寸、束縛性能、集成源器件以及集成工藝兼容性等方面具有優(yōu)勢(shì)，還能表貼于彎曲物體表面實(shí)現(xiàn)共形電磁波傳輸應(yīng)用。

人工表面等離激元波導(dǎo)可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)化金屬表面的結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)來(lái)靈活調(diào)控電磁特性甚至定制不同趨勢(shì)的色散曲線，具有靈活的調(diào)控能力。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在目標(biāo)頻段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的有效控制。針對(duì)矩形枝節(jié)/刻槽的常規(guī)平面人工表面等離激元波導(dǎo)因色散曲線的漸近頻率與其枝節(jié)高度/凹槽深度成反比造成的波導(dǎo)橫向尺寸過(guò)大的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種形式的平面人工表面等離激元波導(dǎo)新結(jié)構(gòu)，如T形、啞鈴形、雙面開(kāi)槽等[13-17]，不僅支持基?；蚋叽文SPPs的高效傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的波導(dǎo)小型化。另外，為了克服波導(dǎo)的電磁束縛性能與波導(dǎo)橫向尺寸之間的矛盾問(wèn)題，廈門大學(xué)葉龍芳課題組提出了交錯(cuò)開(kāi)槽、V形、分形、彎折枝節(jié)、阿基米德螺旋枝節(jié)加載的人工表面等離激元波導(dǎo)、方螺旋刻槽的平行雙帶線SSPP等新結(jié)構(gòu)[18-23]，部分如圖2所示。研究表明，這些波導(dǎo)具有更強(qiáng)的場(chǎng)束縛能力和更緊湊的尺寸，與具有相同漸近頻率的梳狀結(jié)構(gòu)相比，阿基米德螺旋枝節(jié)加載的SSPP 波導(dǎo)和方螺旋刻槽的平行雙帶線人工表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可分別實(shí)現(xiàn)75%和80%的橫向尺寸小型化。

(a) V形SSPP波導(dǎo)

當(dāng)前，人工表面等離激元波導(dǎo)研究已取得顯著進(jìn)展，各種小型化人工表面等離激元波導(dǎo)新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，極大豐富了高性能SSPP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式與選擇，在微波太赫茲波集成電路、器件與系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，盡管人工表面等離激元波導(dǎo)因具有強(qiáng)場(chǎng)束縛性能使其在抑制電磁信號(hào)串?dāng)_極具潛力，但是也造成了較大的插入損耗。如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)場(chǎng)束縛性能的同時(shí)降低插損、提高傳輸距離是人工表面等離激元波導(dǎo)領(lǐng)域面臨一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

2 人工表面等離激元功能器件

平面型人工表面等離激元波導(dǎo)作為一類擁有精細(xì)操控電磁模式與色散特性的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)場(chǎng)束縛性、色散可調(diào)、低損耗、可彎折、以及與微帶、共面波導(dǎo)兼容等優(yōu)點(diǎn)，在解決小型化與干擾抑制、信號(hào)完整性這一矛盾上具有天然的優(yōu)勢(shì)，能夠廣泛應(yīng)用于新一代微波與太赫茲功能器件設(shè)計(jì)中，如過(guò)渡器、移相器、功分器、濾波器、放大器等，顯示出良好的應(yīng)用前景。例如，東南大學(xué)馬慧鋒教授等人[24]提出了一種寬帶共面波導(dǎo)—SSPP 波導(dǎo)過(guò)渡器，通過(guò)喇叭狀漸變金屬地與凹槽逐漸加深的SSPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)TEM波與SSPPs之間阻抗匹配、波矢匹配與高效率的模式轉(zhuǎn)換，如圖3(a)所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)孟繁義教授課題組提出了基于人工表面等離激元的濾波液晶移相器，實(shí)現(xiàn)了良好的帶阻濾波與可調(diào)移相雙功能特性[25]。作者課題組提出一種基于十字分形結(jié)構(gòu)SSPP威爾金森功分器，如圖3(b)所示，通過(guò)由帶雙側(cè)十字分形結(jié)構(gòu)SSPP波導(dǎo)演變?yōu)?個(gè)相同分支單側(cè)十字分形結(jié)構(gòu) SSPP 波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了良好的微波等功率分配與端口隔離特性[20]。

濾波器與放大器是無(wú)線通信及雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。利用人工表面等離激元色散曲線的低通特性，結(jié)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出多種高性能的濾波器。例如，作者課題組提出一種基片集成人工表面等離激元波導(dǎo)帶通濾波器[26]，如圖3(a)所示，通過(guò)利用基片集成波導(dǎo)的高通特性和表面等離激元的低通特性來(lái)設(shè)計(jì)帶通濾波器，在7.5～13.0 GHz超寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的帶通特性。通過(guò)引入PIN二極管或變?nèi)荻O管，還可以實(shí)現(xiàn)電控可調(diào)的人工表面等離激元器件。圖3(b)所示為一種基于折疊枝節(jié)單元的SSPP陷波器，通過(guò)直流偏壓控制開(kāi)口環(huán)諧振器上PIN二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，達(dá)到陷波頻點(diǎn)靈活切換的功能[27]。西安交通大學(xué)徐開(kāi)達(dá)教授課題組設(shè)計(jì)了基于半?；刹▽?dǎo)、共面波導(dǎo)的高性能微波毫米波SSPP濾波器等功能器件[28-29]。此外，如圖4所示，東南大學(xué)張浩馳教授等人提出了一種加載變?nèi)荻O管的SSPP波導(dǎo)可重構(gòu)帶通濾波器，可靈活地調(diào)諧通頻帶2側(cè)的截止頻率[30]；通過(guò)在SSPP波導(dǎo)上加載放大器芯片，實(shí)現(xiàn)了增益高達(dá)20 dB的寬頻微波放大[31]；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了可編程SSPPs器件[32]。

(a) 基片集成人工表面等激元帶通濾波器

(a) SSPP波導(dǎo)寬帶微波放大器

由此可見(jiàn)，人工表面等離激元功能器件領(lǐng)域已取得了一系列研究成果，這些具有較高應(yīng)用價(jià)值的高性能人工表面等離激元波導(dǎo)及功能器件，為人工表面等離激元由概念走向應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管如此，現(xiàn)有常見(jiàn)的人工表面等離激元器件往往需要具有多個(gè)周期重復(fù)的SSPP波導(dǎo)單元結(jié)構(gòu)，縱向尺寸較大。如何提高器件性能的同時(shí)縮短其縱向長(zhǎng)度是當(dāng)前人工表面等離激元功能器件研究面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。此外，對(duì)于部分單導(dǎo)體SSPP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還存在難于集成有源器件的問(wèn)題。

3 人工表面等離激元頻掃漏波天線

除了上述濾波器、功分器等功能器件外，人工表面等離激元波導(dǎo)在天線領(lǐng)域也大有可為。頻率掃描漏波天線作為一種空間波束掃描天線，其主波束指向隨著饋入電磁波的頻率變化而在空間中有規(guī)律掃描的特性，具有很強(qiáng)的主波束操縱和控制能力，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、航空航天等領(lǐng)域。早期的漏波天線是在周期性開(kāi)縫的矩形波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)的[33]，但存在體積較大且主波束只能在前向象限掃描的缺點(diǎn)。近年來(lái)，研究人員提出了多種基于均勻周期結(jié)構(gòu)加載平面漏波天線[34-39]，然而這些天線多數(shù)基于弱色散特性的傳輸線設(shè)計(jì)，天線的波矢較小，掃描角、掃描率、輻射效率有限，并且由于天線存在低輻射效率的模式耦合[40]，在其邊射方向通常具有“開(kāi)阻帶”(Open Stop Band，OSB)效應(yīng)，致使邊射方向輻射性能較差。

人工表面等離激元漏波天線利用SSPP具有豐富的色散特性，根據(jù)漏波天線原理，通過(guò)在SSPP傳輸線上引入周期性調(diào)制或周期性加載輻射結(jié)構(gòu)的方式，產(chǎn)生空間諧波輻射模，可在窄頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的漏波輻射以及寬角度的波束掃描。SSPP天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、低剖面等特點(diǎn)。例如，通過(guò)SSPP傳輸線上引入非對(duì)稱的周期性阻抗調(diào)制的漏波天線，如非對(duì)稱調(diào)制的Goubau SSPP天線、正弦調(diào)制SSPP天線、曲折線SSPP天線等[41-43]，如圖5所示，均可實(shí)現(xiàn)高增益的漏波輻射，并可抑制OSB問(wèn)題。研究人員通過(guò)在SSPP 傳輸線上加載金屬貼片、矩形條帶結(jié)構(gòu)等引入周期性阻抗擾動(dòng)的方式，設(shè)計(jì)了基于圓貼片加載和矩形貼片加載的SSPP漏波天線[44-46]，實(shí)現(xiàn)了較高效、寬角度的漏波輻射特性，如圖6所示。另外，哈工大孟繁義教授、國(guó)防科大關(guān)東方教授等課題組也在SSPP漏波天線方面取得了多項(xiàng)優(yōu)秀成果，如互補(bǔ)輻射單元加載的微帶漏波天線[47]、加載橫向與縱向縫隙的基集成波導(dǎo)漏波天線[48]、寬角度圓極化微帶SSPP波導(dǎo)加載圓形貼片的雙層結(jié)構(gòu)漏波天線[49]及窄帶寬角度正弦周期調(diào)制的開(kāi)縫基片集成波導(dǎo)SSPP漏波天線等[50-51]。

(a) 基于非對(duì)稱調(diào)制的Goubau天線

(a) 單側(cè)圓形貼片加載的SSPP漏波天線

最近，作者課題組還提出了一種具有漸近頻率低、模式束縛性能強(qiáng)平面開(kāi)口環(huán)狀枝節(jié)加載的人工表面等離激元波導(dǎo)[52]，通過(guò)在波導(dǎo)2側(cè)周期加載雙橢圓不對(duì)稱貼片形成高效頻掃漏波天線，有效地激發(fā)-1次空間諧波的輻射，如圖7所示。當(dāng)頻率從6.3 GHz增加到11 GHz時(shí)，其波束可以實(shí)現(xiàn)-90°～+22°的空間掃描。得益于所提出的SSPP單元的優(yōu)異色散特性，與現(xiàn)有其他工作相比，該天線的掃描范圍、掃描率、增益與輻射效率等性能均得到了顯著提升，并具有良好的開(kāi)阻帶效應(yīng)抑制效果，可為高性能SSPP漏波天線設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供參考。

(a) 天線結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，人工表面等離激元漏波天線研究已取得長(zhǎng)足進(jìn)展。然而，人工表面等離激元強(qiáng)色散與強(qiáng)場(chǎng)束縛特性在提升漏波天線頻率掃描特性的同時(shí)也面臨空間諧波輻射模難以激發(fā)、有限長(zhǎng)度漏波天線的輻射效率受限的問(wèn)題。另外，部分現(xiàn)有的人工表面等離激元漏波天線在掃描角度范圍、頻率掃描率、輻射增益、效率及小型化等特性方面仍有一定的提升空間。

4 人工表面等離激元渦旋波天線

基于上述漏波天線的輻射原理，通過(guò)適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)人工表面等離激元渦旋波輻射。渦旋電磁波是指攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波，理論上具有無(wú)窮多個(gè)相互正交的軌道角動(dòng)量模態(tài)，利用渦旋波可為無(wú)線通信提供一個(gè)新的復(fù)用維度，極大提高信道容量與頻譜利用率。近年來(lái)，人工表面等離激元這一新概念也被引入到渦旋波天線研究設(shè)計(jì)中。例如，如圖8所示，2018年，H.Su等人[53]通過(guò)使用SSPP波導(dǎo)耦合的6臂螺旋單元，成功地在亞波長(zhǎng)尺寸下產(chǎn)生了渦旋波。J.Yin與Z.Liao等人[54-55]分別提出了基于SSPPs的環(huán)形雙層雙端口渦旋波天線與周期調(diào)制環(huán)形諧振器SSPP渦旋波天線，均實(shí)現(xiàn)在不同頻率下產(chǎn)生不同階OAM模式渦旋波輻射。L.Zhang等人[56]提出了一種單端口高階模SSPP渦旋波天線，在9.1～10.1 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)的12階OAM模式渦旋波輻射。作者課題組也提出了一種緊湊高效單饋雙向五模SSPP渦旋波天線[57]，如圖9所示，通過(guò)改變工作頻率即可實(shí)現(xiàn)5種渦旋波模態(tài)切換，并且天線可同時(shí)向上和向下輻射具有相反拓?fù)潆姾芍档挠倚龍A極化和左旋圓極化渦旋波。

(a) SSPP波導(dǎo)耦合的6臂螺旋單元

(a) 天線結(jié)構(gòu)

另外，還設(shè)計(jì)了一種基于人工表面等離激元的可重構(gòu)渦旋波天線，通過(guò)PIN二極管實(shí)現(xiàn)2種渦旋波的模態(tài)重構(gòu)。這些渦旋波天線均無(wú)需復(fù)雜的功分相移饋電網(wǎng)絡(luò)，即可高效地產(chǎn)生不同OAM模態(tài)渦旋波。以上這些研究工作將為開(kāi)展多模態(tài)可重構(gòu)人工表面等離激元渦旋波天線的研發(fā)及其在下一代高速渦旋波無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供保障。盡管如此，當(dāng)前多模人工表面等離激元渦旋波天線存在模式發(fā)散、輻射增益、效率及其平坦度不足等問(wèn)題尚待進(jìn)一步研究解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從人工表面等離激元概念及特性入手，簡(jiǎn)要地綜述了人工表面等離激元波導(dǎo)、功能器件、漏波天線和渦旋波天線4個(gè)方面若干研究進(jìn)展，說(shuō)明了人工表面等離激元相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，探討了人工表面等離激元的應(yīng)用潛力與挑戰(zhàn)。近年來(lái)，高性能小型化人工表面等離激元波導(dǎo)、器件與天線研究方面已取得了諸多優(yōu)秀的成果，為人工表面等離激元由概念走向應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相信在不遠(yuǎn)未來(lái)，人工表面等離激元將會(huì)以其優(yōu)異的電磁特性在微波與太赫茲集成電路、器件、天線及系統(tǒng)等領(lǐng)域大放異彩。