人工表面等離激元波導及天線若干進展

葉龍芳，王正一，陳仲凱，安國騰

(1.廈門大學 電子科學與技術學院 電磁聲學研究院，福建 廈門 361005;2.東南大學 毫米波國家重點實驗室，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傳播的電磁波模式，具有亞波長電磁束縛性能與突破衍射極限能力，在亞波長集成光波導、光子器件及系統的應用中極具潛力[1-2]。常見貴金屬材料(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、金屬板波導直接傳輸微波與太赫茲表面等離激元，會出現導波場的束縛性能十分微弱，容易對臨近電路系統造成干擾。為了將表面等離激元的優異特性遷移至微波與太赫茲波段，提升微波與太赫茲波導及器件性能與小型化水平，英國帝國理工學院的J.B.Pendry教授團隊于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現類似于光頻段電表面等離激元的色散特性和亞波長場束縛性能。人工表面等離激元技術是一項能有效操控微波與太赫茲波特性的新技術。而研發小型化高性能微波與太赫茲人工表面等離激元波導、器件與天線，則是人工表面等離激元由“概念”走向“應用”的基礎，有望為微波與太赫茲波導、器件與天線的小型化、集成化設計提供一條有效的新途徑。

本文將簡要地綜述人工表面等離激元波導、功能器件、頻掃漏波天線、渦旋波天線的若干最新研究進展及存在的問題與挑戰，為新型人工表面等離激元波導與天線的開發及微波與太赫茲電路、器件及系統應用提供參考。

1 人工表面等離激元波導

波導是引導傳輸電磁波的基本結構，是電磁波信息傳輸的“橋梁”和“通道”，也是構成各種功能器件、電路、天線與集成系統的結構單元。人工表面等離激元波導因其具有靈活的色散調控能力與出色的導波場束縛性能，使其在微波與太赫茲電路、天線與集成系統中的應用及電磁兼容問題的解決方面極具潛力。

近年來，關于人工表面等離激元波導方面的研究已取得了一系列進展，其結構形式也從起初的立體塊狀結構發展到易于集成的平面結構。早期，J.B.Pendry教授等人提出了一種亞波長周期陣列開孔的塊狀金屬結構表面的人工表面等離激元波導[3]，如圖1(a)所示。其色散關系可表示為：

(a) 周期開孔的塊狀金屬SSPP波導

(1)

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

(2)

因此，通過人工設計金屬表面的亞波長周期陣列孔的結構尺寸，可以實現操控所引導電磁波的等離激元頻率及其傳播特性。在此基礎上，通過設計亞波長周期性孔、柱、槽等方式，設計了多種立體結構人工表面等離激元波導[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，周期性環形、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構加載的“多米諾骨牌”型人工表面等離激元波導等。雖然這些波導均在微波或太赫茲波段展現出類似光波段常規金屬表面等離激元所具有的色散特性和亞波長場束縛性能，但因其龐大的三維結構，難以在大規模集成器件電路與系統中應用。為了解決這一難題，2013年，東南大學崔鐵軍教授團隊提出了一種共形人工表面等離激元(Conformal Surface Plasmons,CSPs)波導結構[12]，該結構由柔性介質基板及其表面上的超薄梳狀金屬條帶組成，實現了人工表面等離激元波導由立體結構向平面結構的轉變。平面人工表面等離激元波導不僅在結構尺寸、束縛性能、集成源器件以及集成工藝兼容性等方面具有優勢，還能表貼于彎曲物體表面實現共形電磁波傳輸應用。

人工表面等離激元波導可以通過改變結構化金屬表面的結構尺寸等參數來靈活調控電磁特性甚至定制不同趨勢的色散曲線，具有靈活的調控能力。通過對結構參數進行優化設計，在目標頻段實現對電磁波的有效控制。針對矩形枝節/刻槽的常規平面人工表面等離激元波導因色散曲線的漸近頻率與其枝節高度/凹槽深度成反比造成的波導橫向尺寸過大的問題，國內外學者提出了多種形式的平面人工表面等離激元波導新結構，如T形、啞鈴形、雙面開槽等[13-17]，不僅支持基?；蚋叽文SPPs的高效傳輸，還能夠實現一定程度的波導小型化。另外，為了克服波導的電磁束縛性能與波導橫向尺寸之間的矛盾問題，廈門大學葉龍芳課題組提出了交錯開槽、V形、分形、彎折枝節、阿基米德螺旋枝節加載的人工表面等離激元波導、方螺旋刻槽的平行雙帶線SSPP等新結構[18-23]，部分如圖2所示。研究表明，這些波導具有更強的場束縛能力和更緊湊的尺寸，與具有相同漸近頻率的梳狀結構相比，阿基米德螺旋枝節加載的SSPP 波導和方螺旋刻槽的平行雙帶線人工表面等離激元波導結構可分別實現75%和80%的橫向尺寸小型化。

(a) V形SSPP波導

當前，人工表面等離激元波導研究已取得顯著進展，各種小型化人工表面等離激元波導新結構不斷涌現，極大豐富了高性能SSPP波導結構形式與選擇，在微波太赫茲波集成電路、器件與系統中具有重要應用價值。然而，盡管人工表面等離激元波導因具有強場束縛性能使其在抑制電磁信號串擾極具潛力，但是也造成了較大的插入損耗。如何實現增強場束縛性能的同時降低插損、提高傳輸距離是人工表面等離激元波導領域面臨一個重要挑戰。

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作為一類擁有精細操控電磁模式與色散特性的導波結構，具有強場束縛性、色散可調、低損耗、可彎折、以及與微帶、共面波導兼容等優點，在解決小型化與干擾抑制、信號完整性這一矛盾上具有天然的優勢，能夠廣泛應用于新一代微波與太赫茲功能器件設計中，如過渡器、移相器、功分器、濾波器、放大器等，顯示出良好的應用前景。例如，東南大學馬慧鋒教授等人[24]提出了一種寬帶共面波導—SSPP 波導過渡器，通過喇叭狀漸變金屬地與凹槽逐漸加深的SSPP 波導結構，實現準TEM波與SSPPs之間阻抗匹配、波矢匹配與高效率的模式轉換，如圖3(a)所示。哈爾濱工業大學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，實現了良好的帶阻濾波與可調移相雙功能特性[25]。作者課題組提出一種基于十字分形結構SSPP威爾金森功分器，如圖3(b)所示，通過由帶雙側十字分形結構SSPP波導演變為2個相同分支單側十字分形結構 SSPP 波導，實現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線通信及雷達系統的重要組成部分。利用人工表面等離激元色散曲線的低通特性，結合波導結構特點，可設計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帶通濾波器[26]，如圖3(a)所示，通過利用基片集成波導的高通特性和表面等離激元的低通特性來設計帶通濾波器，在7.5～13.0 GHz超寬頻帶內實現了良好的帶通特性。通過引入PIN二極管或變容二極管，還可以實現電控可調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單元的SSPP陷波器，通過直流偏壓控制開口環諧振器上PIN二極管的開關狀態，達到陷波頻點靈活切換的功能[27]。西安交通大學徐開達教授課題組設計了基于半?；刹▽?、共面波導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，東南大學張浩馳教授等人提出了一種加載變容二極管的SSPP波導可重構帶通濾波器，可靈活地調諧通頻帶2側的截止頻率[30]；通過在SSPP波導上加載放大器芯片，實現了增益高達20 dB的寬頻微波放大[31]；在此基礎上，進一步提出了可編程SSPPs器件[32]。

(a) 基片集成人工表面等激元帶通濾波器

(a) SSPP波導寬帶微波放大器

由此可見，人工表面等離激元功能器件領域已取得了一系列研究成果，這些具有較高應用價值的高性能人工表面等離激元波導及功能器件，為人工表面等離激元由概念走向應用奠定堅實的基礎。盡管如此，現有常見的人工表面等離激元器件往往需要具有多個周期重復的SSPP波導單元結構，縱向尺寸較大。如何提高器件性能的同時縮短其縱向長度是當前人工表面等離激元功能器件研究面臨的一個重要問題。此外，對于部分單導體SSPP波導結構還存在難于集成有源器件的問題。

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在天線領域也大有可為。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律掃描的特性，具有很強的主波束操縱和控制能力，被廣泛應用于雷達、通信、航空航天等領域。早期的漏波天線是在周期性開縫的矩形波導上實現的[33]，但存在體積較大且主波束只能在前向象限掃描的缺點。近年來，研究人員提出了多種基于均勻周期結構加載平面漏波天線[34-39]，然而這些天線多數基于弱色散特性的傳輸線設計，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“開阻帶”(Open Stop Band，OSB)效應，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，根據漏波天線原理，通過在SSPP傳輸線上引入周期性調制或周期性加載輻射結構的方式，產生空間諧波輻射模，可在窄頻段內實現高效的漏波輻射以及寬角度的波束掃描。SSPP天線具有結構簡單、易于加工、低剖面等特點。例如，通過SSPP傳輸線上引入非對稱的周期性阻抗調制的漏波天線，如非對稱調制的Goubau SSPP天線、正弦調制SSPP天線、曲折線SSPP天線等[41-43]，如圖5所示，均可實現高增益的漏波輻射，并可抑制OSB問題。研究人員通過在SSPP 傳輸線上加載金屬貼片、矩形條帶結構等引入周期性阻抗擾動的方式，設計了基于圓貼片加載和矩形貼片加載的SSPP漏波天線[44-46]，實現了較高效、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、國防科大關東方教授等課題組也在SSPP漏波天線方面取得了多項優秀成果，如互補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漏波天線[48]、寬角度圓極化微帶SSPP波導加載圓形貼片的雙層結構漏波天線[49]及窄帶寬角度正弦周期調制的開縫基片集成波導SSPP漏波天線等[50-51]。

(a) 基于非對稱調制的Goubau天線

(a) 單側圓形貼片加載的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、模式束縛性能強平面開口環狀枝節加載的人工表面等離激元波導[52]，通過在波導2側周期加載雙橢圓不對稱貼片形成高效頻掃漏波天線，有效地激發-1次空間諧波的輻射，如圖7所示。當頻率從6.3 GHz增加到11 GHz時，其波束可以實現-90°～+22°的空間掃描。得益于所提出的SSPP單元的優異色散特性，與現有其他工作相比，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，并具有良好的開阻帶效應抑制效果，可為高性能SSPP漏波天線設計與性能優化提供參考。

(a) 天線結構

近年來，人工表面等離激元漏波天線研究已取得長足進展。然而，人工表面等離激元強色散與強場束縛特性在提升漏波天線頻率掃描特性的同時也面臨空間諧波輻射模難以激發、有限長度漏波天線的輻射效率受限的問題。另外，部分現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，通過適當結構設計，還可以實現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量的電磁波，理論上具有無窮多個相互正交的軌道角動量模態，利用渦旋波可為無線通信提供一個新的復用維度，極大提高信道容量與頻譜利用率。近年來，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計中。例如，如圖8所示，2018年，H.Su等人[53]通過使用SSPP波導耦合的6臂螺旋單元，成功地在亞波長尺寸下產生了渦旋波。J.Yin與Z.Liao等人[54-55]分別提出了基于SSPPs的環形雙層雙端口渦旋波天線與周期調制環形諧振器SSPP渦旋波天線，均實現在不同頻率下產生不同階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內實現的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，通過改變工作頻率即可實現5種渦旋波模態切換，并且天線可同時向上和向下輻射具有相反拓撲電荷值的右旋圓極化和左旋圓極化渦旋波。

(a) SSPP波導耦合的6臂螺旋單元

(a) 天線結構

另外，還設計了一種基于人工表面等離激元的可重構渦旋波天線，通過PIN二極管實現2種渦旋波的模態重構。這些渦旋波天線均無需復雜的功分相移饋電網絡，即可高效地產生不同OAM模態渦旋波。以上這些研究工作將為開展多模態可重構人工表面等離激元渦旋波天線的研發及其在下一代高速渦旋波無線通信系統中的應用提供保障。盡管如此，當前多模人工表面等離激元渦旋波天線存在模式發散、輻射增益、效率及其平坦度不足等問題尚待進一步研究解決。

5 結束語

本文從人工表面等離激元概念及特性入手，簡要地綜述了人工表面等離激元波導、功能器件、漏波天線和渦旋波天線4個方面若干研究進展，說明了人工表面等離激元相較于傳統結構的優勢，探討了人工表面等離激元的應用潛力與挑戰。近年來，高性能小型化人工表面等離激元波導、器件與天線研究方面已取得了諸多優秀的成果，為人工表面等離激元由概念走向應用奠定堅實的基礎。相信在不遠未來，人工表面等離激元將會以其優異的電磁特性在微波與太赫茲集成電路、器件、天線及系統等領域大放異彩。