人工表面等离激元超材料 
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1 引言
随着第五代移动通信系统带来的信息数据爆炸式增加,以集成电路为基础的传统微波毫米波电路与系统的发展面临着空间耦合、动态响应和性能鲁棒性等多方面的挑战,其中器件系统的小型化与电磁兼容之间的矛盾尤为突出[1]。这是因为以微带和共面波导为代表的传统平面微波传输线具有固定的空间波模式,传输的电磁波主要分布于其周围空间或介质中,而在包含大量平行传输线的具有多层结构的高密度集成电路中,小型化带来的线间距的减小将导致邻间互耦增强,进而影响系统的整体性能。这种由传输线物理特性引起的系统小型化与电磁兼容间的矛盾成为了微波集成电路发展的主要障碍之一。因此,亟需寻求一种能够对电磁模式进行亚波长尺度操控的基础传输线构型以解决以上矛盾。
表面等离激元具有亚波长范围内的场束缚及场增强特性,因此在光学领域获得了广泛关注[2],有望成为光子集成电路取得进一步突破的可能方案。表面等离激元是一种工作于光频段的特殊表面波,一般存在于由空气或介质与金属所构成的分界面上,被广泛应用于高性能传感器[3]、超分辨成像[4]以及光子电路等器件及系统[5]中。从模式特性上看,表面等离激元固有的场束缚能力有望从根本上解决电路小型化与电磁兼容间的矛盾。然而,表面等离激元的应用存在两个难题:1)在光频段金属损耗过高,因此表面等离激元的传输损耗严重[6];2)金属在微波和太赫兹频段的特性接近于理想导体而非等离子体,因此表面等离激元不具有足够的场束缚能力[7]。
为了解决上述难题,学者们提出了人工表面等离激元(SSPP)超材料的概念。人工表面等离激元超材料在微波等低频段下通过特殊设计的结构化金属表面来模拟光频段金属的等离子体特性。利用其与周围电磁场间的相互作用即可模拟与表面等离激元相似的电磁模式,该模式亦被称为人工表面等离激元模式[8]。早期的人工表面等离激元超材料结构表面通常刻蚀有呈一维或二维阵列排布的孔或丘,该结构可很好地模拟表面等离激元的场束缚及场增强特性[9]。但这类人工表面等离激元超材料的三维结构与电子信息系统中广泛采用的平面电路工艺难以兼容。因此,本团队研制了一种能够与任意弯曲表面共形的超薄人工表面等离激元超材料,并基于此材料研制了大量的微波无源器件、有源器件及相关系统,实现了微波人工表面等离激元超材料的工程应用价值[10]。
2 人工表面等离激元超材料
2.1 人工表面等离激元的物理特性
工作于微波频段的人工表面等离激元与工作于光波频段的表面等离激元十分相似,是一种沿导体和介质分界面传输的表面波。因此,人工表面等离激元可被有效地束缚在亚波长范围内进行传播,并在垂直于传播方向的维度上呈指数衰减。与表面等离激元类似,人工表面等离激元的色散曲线偏离自由空间光的色散曲线,表现为频率趋于表面等离子体频率。相比之下,人工表面等离激元由于采用结构谐振代替了光子-电子耦合谐振,其表面等离子体频率降低至太赫兹甚至微波频段,因此具有更小的金属损耗。例如,
除了低损耗之外,人工表面等离激元相对于表面等离激元的另一个优势是其色散特性可通过改变金属表面的结构尺寸而实现灵活控制,这为可调控器件与电路的设计提供了新途经。但对于结构复杂的人工表面等离激元结构,如
图 1. 三维SSPP结构。(a) SSPP双向弯曲分波器,其用馈线(feeding wire)和探针(detecting probe)激励[11];(b)周期性分叉缝结构[12];(c)周期性分叉缝结构的等效电路拓扑[12];(d)计算及仿真得到的周期性分叉缝结构的色散曲线[12]
Fig. 1. 3D SSPP structures. (a) SSPP bidirectional bending splitter with feeding wire and detecting probe as excitation[11]; (b) periodic bifurcated slit-decorated structure[12]; (c) equivalent circuit topology of periodic bifurcated slit-decorated structure[12]; (d) calculated and simulated dispersion curves of periodic bifurcated slit-decorated structure
2.2 人工表面等离激元传输线
早期的人工表面等离激元研究[8,15-16]主要限于三维情况,即结构化金属层具有一定厚度甚至无限厚。但在实际应用中,三维结构无法有效地用于构建大规模集成电路,与现代微波技术广泛采用的平面工艺难以兼容。为了解决这一难题,学者们提出了一种可支持人工表面等离激元传输的超薄梳状金属条带结构[10],如
图 2. 柔性超薄SSPP传输线及其传输特性[10] 。(a)柔性传输线实物图;(b)弯折传输线仿真结构;(c)近场仿真结果;(d)弯折传输线实物图;(e)近场测试结果
Fig. 2. Ultrathin and flexible SSPP transmission line and its propagation properties[10]. (a) Photograph of flexible transmission line; (b) simulated structure of curved transmission line; (c) simulated near-field result; (d) photograph of curved transmission line; (e) measured near-field result
通过调整人工表面等离激元传输线的结构参数,可实现色散特性和物理特性的调控,因此不同的应用需求可得到满足。例如,利用基于人工表面等离激元传输线的场束缚特性可有效抑制通信系统中的信道互耦,如
图 3. SSPP传输线抑制信道间互耦[16] 。(a)传输线结构;(b)传输系数和耦合系数的实验结果
Fig. 3. Crosstalk suppression using SSPP transmission lines[16]. (a) Structure of transmission lines; (b) experimental results of transmission and coupling coefficients
此外,通过合理地利用人工表面等离激元的独特物理特性,可在其他应用场景中实现所需的功能,例如弯折损耗抑制、模式不匹配隔离以及紧凑封装等[18-21]。因此,学者们按需提出了很多衍生的人工表面等离激元传输线结构,使其能够满足不同应用场景的需求[2-25]。
图 4. SSPP传输线的低损耗性能研究[17] 。(a)传输线结构;(b)相同尺寸微带线;(c)散射参数的实验结果对比
Fig. 4. Low-loss properties of SSPP transmission line[17]. (a) Structure of transmission line; (b) micro-strip line with same size; (c) comparison of measured scattering parameters
在微波系统中,分布式传输线模型对器件的分析非常重要。人工表面等离激元模式与传统传输线的准横电磁模式不同,且受超薄不均匀结构与介质基板的影响,因此很难从场的角度得到人工表面等离激元物理特性的解析表达式。因此,学者们尝试从其他角度对人工表面等离激元进行研究。例如,提出了一种基于模式匹配法分析超薄梳状结构色散曲线的方法[26],但仍无法分析介质基板的影响;利用集总电路模型描述超薄人工表面等离激元结构的工作状态,但由于单元的间隔周期与截止频率附近的导波波长相当,因此无法避免空间色散问题[27]。为了解决以上问题,学者们提出了一种基于网络拓扑结构并利用传输矩阵分析人工表面等离激元色散特性的方法[28]。该电路模型考虑了相邻单元间的耦合,将并联支路看作共面波导,并将整个结构视为级联的对称T型网络,因而能准确地描述人工表面等离激元传输线的色散特性。
2.3 人工表面等离激元的高效激励与转换
尽管人工表面等离激元具有场增强与场束缚等优异特性,但由于横电磁模式与人工表面等离激元模式之间存在固有的动量不匹配问题,传统馈电方法很难激发出人工表面等离激元模式。因此,人工表面等离激元的高效激励与转换是必须解决的首要问题。
早期学者们采用低色散和低损耗的单极子天线来激励人工表面等离激元[29],但该方法会导致较大的空间辐射损耗;利用具有梯度相位的电磁超表面耦合器实现了高转换效率的人工表面等离激元激发,但超表面占用了很大空间,且对入射波束的极化与宽度较为敏感,因此不能用于平面微波电路与系统[30-32]。
为了使空间电磁波模式高效地转化为人工表面等离激元模式,保证过渡结构紧凑且易集成,学者们提出了槽深渐变的人工微结构。在该结构中,不同模式的阻抗和动量在宽带内匹配,因此传统共面波导被高效地平滑过渡至人工表面等离激元传输线[33],如
图 5. SSPP的高效激励结构。(a)共面波导与SSPP传输线的高效转换[33];(b)微带线与SSPP传输线的高效转换[34];(c)共面波导与SSPP传输线间的转换结构的散射参数的仿真与实验结果[33];(d)微带线与SSPP传输线间的转换结构的散射参数的仿真与实验结果[34]
Fig. 5. High-efficiency excitation structure of SSPP. (a) High-efficiency conversion between coplanar waveguide and SSPP transmission line [33]; (b) high-efficiency conversion between micro-strip and SSPP transmission line [34]; (c) simulated and measured S parameters of conversion structure between coplanar waveguide and SSPP transmission line [33]; (d) s
2.4 人工表面等离激元无源器件
基于超薄人工表面等离激元结构,学者们研制了一系列微波人工表面等离激元功分器、滤波器和耦合器等无源器件。这些无源器件具有优异性能,且可通过调整结构几何参数对其进行灵活调控。例如,由一条复合人工表面等离激元传输线和两条分支人工表面等离激元传输线构成的人工表面等离激元超宽带3 dB功分器[40],通过扩口地和梯度槽设计实现了与传统共面波导的转换,如
图 6. 基于SSPP的超宽带3 dB功分器[40] 。(a)结构示意图;(b)传输系数和反射系数的实验结果
Fig. 6. SSPP-based ultra-broadband 3 dB power divider[40]. (a) Structure diagram; (b) measured transmission and reflection coefficients
此外,学者们还提出了基于人工表面等离激元的分频器和3 dB定向耦合器[42],如
图 7. 基于SSPP的分频器和3 dB定向耦合器[42] 。(a)分频器结构示意图;(b)分频器的仿真和实验结果;(c) 3 dB定向耦合器的结构示意图;(d) 3 dB定向耦合器的仿真和实验结果
Fig. 7. SSPP-based frequency splitter and 3 dB directional coupler[42]. (a) Structural diagram of frequency splitter;(b) simulated and measured results of frequency splitter; (c) structural diagram of 3 dB directional coupler; (d) simulated and measured results of 3 dB directional coupler
图 8. 基于SSPP的分频器[43] 。(a)分频器的结构示意图;(b) 5.2 GHz电场分布的仿真结果;(c) 10.2 GHz电场分布的仿真结果;(d) 5.2 GHz电场分布的实验结果;(e) 10.2 GHz电场分布的实验结果
Fig. 8. SSPP-based frequency splitter[43]. (a) Structural diagram of frequency splitter; (b) simulated electric field distribution at 5.2 GHz; (c) simulated electric field distribution at 10.2 GHz; (d) measured electric field distribution at 5.2 GHz; (e) measured electric field distribution at 10.2 GHz
图 9. 基于SSPP的环形谐振器[44] 。(a)谐振器的结构示意图;(b) 0.98 THz时电场分布的仿真结果
Fig. 9. SSPP-based ring resonator[44]. (a) Structural diagram of resonator; (b) simulated electric field distribution at 0.98 THz
滤波器是现代电子设备和通信系统的重要器件。在人工表面等离激元传输线原型被报道后,学者们很快就研制了基于人工表面等离激元的滤波器[45],如
图 10. SSPP滤波器。(a)SSPP耦合式滤波器[45];(b)由反对称SSPP传输线和基片集成波导组成的混合带通滤波器[46];(c)紧凑型混合带通滤波器[47]
Fig. 10. SSPP-based filters. (a) SSPP-coupled filter [45]; (b) hybrid band-pass filter composed of anti-symmetric SSPP transmission line and substrate-integrated waveguide [46]; (c) compact hybrid band-pass filter [47]
2.5 人工表面等离激元天线
作为通信系统的终端,天线在整个收发过程中承担了转换导行电磁波与空间电磁波的重要任务。近年来,基于人工表面等离激元的天线被提出,其可实现人工表面等离激元模式和空间辐射模式之间的有效转换。由于模式不匹配,人工表面等离激元波无法被直接转换为空间波,但理论和实验证明,通过设计一种特殊的梯度超表面即可实现高效率的转换,如
图 11. SSPP天线。(a)由梯度单元组成的相位可调的SSPP天线[51];(b)基于SSPP的天线阵列及其馈电网络[52];(c)奇模SSPP天线[53];(d)基于SSPP的小型化天线[54]
Fig. 11. SSPP antennas. (a) Phase-tunable SSPP antenna composed of gradient units [51]; (b) SSPP-based antenna array and its feeding network [52];(c) odd-mode SSPP antenna [53];(d) miniaturized SSPP-based antenna [54]
3 人工局域表面等离激元谐振
3.1 人工局域表面等离激元的物理特性
表面等离激元主要分为两类,除第2节提到的沿金属表面传播的表面等离激元外,还有一种由金属纳米颗粒的自由电子激发产生的局域表面等离激元,二者分别类似于微波电路中的传输结构与谐振结构。局域表面等离激元的谐振局限在纳米粒子的界面附近,具有场增强特性,对粒子几何形状与局部介电环境高度敏感,因此在近场光学、等离子体天线和光伏等领域具有很大的应用潜力。但由于金属在微波频段表现为良导体而非等离子体,因此局域表面等离激元的研究仅局限在光频段。
近年来,研究者提出了一种
图 12. 三维SSPP结构[55]。(a)周期开槽金属圆柱示意图;(b)等效人工电磁媒质圆柱体示意图
Fig. 12. 3D SSPP structure[55]. (a) Diagram of periodic corrugated metallic cylinder; (b) diagram of cylinder with equivalent artificial electromagnetic medium
3.2 超薄人工局域表面等离激元结构及高阶模式
周期开槽的金属圆柱虽然在微波频段模拟了光频段的局域表面等离激元,但其庞大的三维结构使其无法集成于现有的微波电路中。因此,学者们提出了工作在微波频段的超薄人工局域表面等离激元结构[56],如
图 13. 超薄SLSP结构及其物理特性[56] 。(a)测量近场谐振的实验装置;(b)用不同介质覆盖的超薄开槽金属盘的近场响应谱;(c)近场响应的仿真结果和模式;(d)近场响应的实验结果和模式
Fig. 13. Ultrathin SLSP structure and its physical properties[56]. (a) Experimental setup for measuring near-field resonance; (b) near-field response spectra of ultrathin corrugated metallic disk covered by different dielectric pads; (c) simulated near-field responses and patterns; (d) measured near-field responses and patterns
超薄开槽金属盘结构可实现高阶人工局域表面等离激元模式,这得到了实验验证[57],如
图 14. 超薄开槽金属盘的物理特性[57] 。(a)周期开槽金属盘散射截面积的仿真结果与计算结果;(b)各阶谐振电场分布的仿真结果
Fig. 14. Physical properties of ultrathin corrugated metallic disk[57]. (a) Simulated and calculated scattering cross sections of periodic corrugated metallic disk; (b) simulated electric field distribution corresponding to each order resonance
3.3 超薄螺旋形人工局域表面等离激元结构及高阶模式
人工表面等离激元传输线可通过改变槽深来调控其电磁响应,人工局域表面等离激元结构也可通过改变槽深来调控其模态。基于此想法,学者们提出了弯曲槽人工磁局域表面等离激元结构[59],如
图 15. 亚波长螺旋形开槽金属圆盘谐振谱[59] 。(a)近场频谱的实验结果和散射截面频谱的计算结果;(b) LSP电偶极子谐振的电场分布;(c) LSP磁偶极子谐振的电场分布
Fig. 15. Resonance spectra of sub-wavelength spiral corrugated metallic disk[59]. (a) Experimental near-field spectrum and calculated ECS spectrum; (b) electric field distribution of electric LSP resonance; (c) electric field distribution of magnetic LSP resonance
为了进一步分析螺旋形人工局域表面等离激元结构的物理特性,学者们提出了相应的等效媒质理论模型[61],并定量研究了其频谱和场束缚特性,详细分析了螺旋开槽金属圆盘结构支持的基模和高次模的电极子谐振和磁极子谐振,如
图 16. 螺旋形开槽金属圆盘谐振谱的仿真与实验结果以及各谐振点处相应的近场分布实验结果[61]
Fig. 16. Measured and simulated resonance spectra of spiral corrugated metallic disk and measured near-field distribution corresponding to each resonance point [61]
3.4 人工局域表面等离激元的模式杂化
微波局域表面等离激元和光波局域表面等离激元一样,也存在杂化概念。类似于分子轨道理论,杂化导致人工局域表面等离激元模式变为成键态和反键态两种模式。学者们对这些杂化模式进行了深入研究[62],发现这些混合模式可通过调整圆盘间距或圆盘大小来进行有效调控,且同时产生了巨大的场增强,如
图 17. SLSP的模式杂化[62] 。(a)间距很近的两个螺旋形开槽圆盘结构;(b)间隔中心的电场增强;(c)模式的谐振频率和场增强的最大值与间距大小的函数关系
Fig. 17. Mode hybridization of SLSP[62]. (a) Two closely spaced spiral corrugated metallic disks; (b) electric field enhancement at gap center; (c) mode resonance frequency and maximum field enhancement versus gap size
4 人工表面等离激元有源器件
4.1 人工表面等离激元放大器
信号的高质量放大是现代通信中的关键环节之一。得益于人工表面等离激元结构与成熟的微波放大器的兼容性,微波人工表面等离激元放大器取得了优异的增益效果[37]。为了解决人工表面等离激元传输线与有源芯片的兼容问题,学者们提出了一种反对称式的人工表面等离激元传输线,即在梳状金属条带的下方增加了一条与原条带呈反对称的梳状金属条带,如
图 18. SSPP放大器[37] 。(a)反对称式SSPP传输线;(b)放大器的整体结构;(c)传输系数的仿真与实验结果;(d)~(g) 14,16,18,20 GHz处电场分布的测试结果
Fig. 18. SSPP amplifier[37]. (a) Anti-symmetric SSPP transmission line; (b) overall structure of amplifier; (c) simulated and measured transmission coefficients; (d)--(g) measured electric field distributions at 14, 16, 18, 20 GHz
4.2 人工表面等离激元倍频器
电子信息系统除了需要线性放大功能器件外,还需要具有非线性效应的混频功能器件。与人工表面等离激元放大器类似,人工表面等离激元倍频器也能通过反对称式人工表面等离激元传输线和有源芯片的集成而实现[63]。在倍频器的设计中,需要通过改变几何尺寸来设计反对称式人工表面等离激元的输入和输出传输线,使进入到有源芯片的非工作频率信号在输入端得到抑制,使倍频器产生的高次谐波分量在输出端得到抑制。学者们基于AMMC-6120芯片集成制作了一款人工表面等离激元倍频器,如
图 19. SSPP倍频器[63] 。(a)结构图;(b)频谱实测结果;(c)输入为8 GHz基频时的实测电场分布;(d)输出为16 GHz二次谐波时的实测电场分布;(e)输入为10 GHz基频时的实测电场分布;(f)输出为20 GHz二次谐波时的实测电场分布
Fig. 19. SSPP frequency-doubling generator [63]. (a) Structural diagram; (b) measured spectrum; (c) measured electric field distribution when incident fundamental frequency is 8 GHz; (d) measured electric field distribution when output second harmonic frequency is 16 GHz; (e) measured electric field distribution when incident fundamental frequency is 10 GHz; (f) measured electric field distribution when output second harmonic frequency is 20 GHz
4.3 人工表面等离激元可调控器件
除了三极管有源芯片外,二极管芯片也可用于制备人工表面等离激元有源器件,且能实现动态可调控的功能。
图 20. 基于变容管的SSPPs的倍频控制[64] 。(a)前向二次谐波的产生;(b)后向二次谐波的产生;(c)非线性SSPP的单元结构
Fig. 20. Frequency doubling regulation of SSPPs based on varactor diodes [64]. (a) Forward second-harmonic generation; (b) backward second-harmonic generation; (c) unit structure of nonlinear SSPPs
此外,在小信号输入状态下,通过在人工表面等离激元结构上加载变容二极管,可实现人工表面等离激元可调滤波器[65],如
图 21. SSPP可调滤波器[65]。(a)整体结构图;(b)单元结构图
Fig. 21. SSPP-based tunable filter [65]. (a) Overall structure; (b) unit structure
除了用于调控人工表面等离激元本身的色散特性外,变容二极管也被用于调控人工表面等离激元传输线间的耦合系数,以实现幅度受控的多功能器件。如
4.4 人工局域表面等离激元可调控器件
除了传输型人工表面等离激元有源器件外,学者们还提出了人工局域表面等离激元有源器件。与上述人工表面等离激元有源器件类似,人工局域表面等离激元也可通过加载二极管等有源器件来实现电控功能[67]。如
图 23. 电控SLSP结构[67] 。(a)反射系数的仿真结果;(b)反射系数的实验结果;(c)传输系数的仿真结果;(d)传输系数的实验结果;(e)电场分布的仿真结果;(f)电场分布的实验结果
Fig. 23. Electronically tunable SLSP structures[67]. (a) Simulated reflection coefficients; (b) measured reflection coefficients; (c) simulated transmission coefficients; (d) measured transmission coefficients; (e) simulated electric field distributions; (f) measured electric field distributions
元金属结构以及跨接于缝隙之上的肖特基势垒二极管组成,其中肖特基势垒二极管的工作状态将决定人工局域表面等离激元的谐振模态。通过调整二极管两端的直流偏压值,该人工局域表面等离激元结构的谐振频率及场型可被改变,从而实现了带阻滤波器的自由实时调控。该工作证明人工局域表面等离激元不仅给微波谐振结构带来了丰富的调控自由度,还为构建可实时控制的小型化谐振器提供了可能。
5 微波人工表面等离激元系统
上述人工表面等离激元的研究已覆盖了人工表面等离激元传输线、人工局域表面等离激元谐振器以及基于它们构建的无源和有源器件,初步形成了微波人工表面等离激元的完整体系。在此基础上,人工表面等离激元的研究逐渐发展到全系统研制,主要包括全人工表面等离激元无线通信系统[68]、数字式人工表面等离激元编码调制系统[69]以及人工表面等离激元可编程系统[28]。
5.1 全人工表面等离激元无线通信系统
一直以来,分辨亚波长间距信号并进行高质量传输是光子学、超分辨率成像和密集通信等领域的重要研究课题。随着无线通信系统集成化程度越来越高以及电磁环境日益复杂,信息系统中密集布线和共形传输等问题越发突出,这对亚波长间距信号的高质量传输提出了较大挑战。然而,传统通信解决方案在非视距传输情况下的传输鲁棒性较差,信号间的串扰严重,难以满足系统发展的需求。为了解决这一难题,学者们将上述人工表面等离激元器件集成起来,实现了基于人工表面等离激元技术的亚波长间距多通道信号无线通信系统[68],如
图 24. 基于SSPP技术的亚波长间距双通道信号无线通信射频收发系统[68]
Fig. 24. Radio frequency transceiver for SSPP-based wireless communication system with sub-wavelength-spacing dual-channel signals[68]
所提出的人工表面等离激元信道一方面具有更强的场束缚能力,解决了系统中的邻间耦合问题,有效地抑制了结构不连续处的辐射损耗;同时,具有可设计的选频特性,可抑制不必要的高次谐波。学者们利用该系统实现了两个高清晰电影信号的非视距和无串扰的实时动态传输,并与传统微带技术方案进行了直观的性能对比,如
5.2 数字式人工表面等离激元
近年来,学者们在超材料领域提出了数字编码和可编程超材料的概念,将电磁波物理调控与信息科学联系在一起,实现了对电磁波和信息的实时操控[69]。这种数字编码超材料将电磁响应相位差为180°的两个超材料单元作为数字0和1单元,与通过等效媒质参数来表征超材料的传统思路不同,学者们在超材料的物理空间上构建出数字空间,将空间电磁波调控与信息的感知、理解、记忆和学习相融合,实现了可同时调控电磁波和数字信息的全新物理平台。该材料为构建具有全新架构的电子信息系统奠定了基础。
图 25. 基于SSPP的亚波长间距双通道信号无线通信系统及测试结果[68]。(a)测试环境示意图;(b)接收机所在环境;(c)发射机所在环境;(d)传输前的电影信号;(e)经SSPP无线通信系统传输后的电影信号;(f)经传统无线通信系统传输后的电影信号
Fig. 25. SSPP-based wireless communication with sub-wavelength-spacing dual-channel signals and measured results [68]. (a) Schematic of test scenario; (b) test scenario of receiver; (c) test scenario of transmitter; (d) movie signals before transmission; (e) movie signals after transmission through SSPP-based wireless communication system; (f) movie signals after transmission through traditional wireless communication system
但是,数字化超材料单元的原始定义依赖于单元产生的突变相位,其难以直接延伸至表面等离激元领域。因此,为了将“数字化”的概念引入到人工表面等离激元,学者们提出通过色散特性直接定义基本数字单元的方法,将具有较大波数的状态定义为“0”状态,反之则定义为“1”状态。为了实现对色散特征的动态调控,学者们提出了一种数字式人工表面等离激元超材料结构,其由表面金属图案和状态变化介质(如相变材料或者PIN二极管等)组成,具体结构如
图 26. 数字式SSPP超材料结构[69]。(a)结构示意图;(b)调控单元示意图;(c)色散曲线
Fig. 26. Digital SSPP metamaterial structure [69]. (a) Structural diagram; (b) diagram of control unit; (c) dispersion curves
5.3 人工表面等离激元可编程系统
借鉴于信息超材料的发展脉络,学者们将数字式人工表面等离激元的概念拓展到可编程人工表面等离激元系统[28],实现了对人工表面等离激元模式的灵活操控。
学者们首先提出了一种加载有变容管的多比特数字化人工表面等离激元单元,其基本结构如
图 27. 加载有变容管的多比特数字化SSPP系统[28]。(a)单元等效电路模型;(b)(c)引入变容管建立可编程SSPPs;(d)单元几何构型;(e)实物俯视图;(f)(g)实物仰视图
Fig. 27. Multi-bit digital SSPP system loaded by varactor diodes [28]. (a) Equivalent circuit model of unit; (b)(c) programmable SSPPs constructed by loading varactor diodes; (d) geometric structure of unit; (e) top view of physical map; (f)(g) bottom view of physical map
6 结束语
围绕人工表面等离激元微波新体系,从基本构型、无源器件、有源器件到集成系统,概述了人工表面等离激元的基本概念、器件设计和系统集成的进展。人工表面等离激元超材料具有在亚波长尺度内精细调控电磁波特性的优势,可按需控制模式的截止频率、束缚状态以及传播速度等本征属性,实现了自然滤波和耦合抑制等优异性能,并具有慢波特性,为解决电子信息系统中的底层物理难题提供了高效可行的方案。在传输线优异特性的基础上,学者们陆续提出了基于人工表面等离激元结构的滤波器、功分器、天线、线性放大器与倍频器等典型功能器件,它们展现出不同于传统技术的独特性质。通过系统集成,学者们构建了全人工表面等离激元的无线通信收发系统,实现了亚波长间距内两个电磁信号的独立调制和独立传输。
总体而言,人工表面等离激元在微波领域仍处于起步阶段,尚有许多理论和技术需要探索,例如基础传输线结构和无源器件研究仍处于割裂状态,尚未形成统一的理论框架,由于缺乏可信的理论模型,器件性能评估和综合设计存在困难;有源器件和系统的研究仅处于起步阶段,缺乏多平台和多维度的性能验证。这些问题的解决将极大地推进现代电子信息系统的集成化,系统高集成度与信号电磁兼容之间的矛盾将得到解决。将人工表面等离激元技术与半导体及量子技术进行深度融合,可构建出高集成、高速和低功耗的新型电子信息器件及系统。
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