专利摘要

本发明公开了一种高品质因数的杂化等离激元谐振器，所述谐振器为层状结构，其中最上层为传感区域层，最下层为大面积金属地，大面积金属地的上层为介质基片，传感区域层的下层为谐振器本体和微带线所在的传输层；谐振器本体为人工局域表面等离激元谐振结构和扇形谐振结构叠加形成；微带线与谐振器本体间设有缝隙。该谐振器通过多个谐振模式之间的干涉，具有高品质因数和高谐振强度的优点。

权利要求

1.一种高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述谐振器为层状结构，其中最上层为传感区域层(1)，最下层为大面积金属地(2)，大面积金属地的上层为介质基片(3)，传感区域层的下层为谐振器本体(4)和微带线(5)所在的传输层(6)；

所述谐振器本体(4)为人工局域表面等离激元谐振结构(7)和扇形谐振结构(8)叠加形成，所述人工局域表面等离激元谐振结构(7)和扇形谐振结构(8)的圆心重叠；所述微带线(5)与谐振器本体(4)间设有缝隙，所述缝隙为传感区域的一部分；

所述人工局域表面等离激元谐振结构(7)为外周设有周期性锯齿的圆形，其圆形内径为r，圆环形锯齿结构(9)的半径为R；一周共有N个锯齿周期，每个周期中，金属锯齿为扇形，宽度为a，单个周期宽度为d，其中d＝2πR/N，a<d；

所述扇形谐振结构(8)为圆弧外侧设有周期性锯齿结构的扇形，扇形内径为R1，扇环形锯齿结构(10)的半径为R2；所述扇环形锯齿结构(10)的单个锯齿周期宽度为d，锯齿宽度为a。

2.根据权利要求1所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述介质基片(3)为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、RO3003、RO4350、RT5880、RT5870、RT6002、RT6006、RT6010、RT6035、RT6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。

3.根据权利要求1所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述介质基片(3)的厚度为1μm～10mm之间。

4.根据权利要求1所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述大面积金属地(2)、谐振器本体(4)和微带线(5)为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。

5.根据权利要求1所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述大面积金属地(2)、谐振器本体(4)和微带线(5)的厚度为50nm～1mm之间。

6.根据权利要求1所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述传感区域层(1)为：只覆盖谐振器本体(4)，或覆盖全部谐振器本体(4)和部分微带线(5)，或覆盖全部谐振器本体(4)和全部微带线(5)。

7.根据权利要求1所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述传感区域层(1)为由外壁罩起来的封闭区域或开放空间，所述传感区域层材料的折射率在(1,3)范围内。

8.根据权利要求7所述的高品质因数的杂化等离激元谐振器，其特征在于，所述传感区域层(1)材料的折射率在(1，1.8)范围内。

说明书

技术领域

本发明属于谐振器、传输线技术领域，具体涉及一种高品质因数和谐振强度的微波毫米波谐振器。

背景技术

品质因数(Q-factor)是衡量电磁谐振器的重要指标，其数值表示了谐振模式的寿命，即电磁场模式与周围环境相互作用的时间。品质因数是由结构的损耗决定的，包括材料损耗、散射损耗、辐射损耗。材料损耗和散射损耗是由材料本身性质以及结构的粗糙度决定，而辐射损耗与谐振器的电尺寸密切相关。通常情况下，大的电尺寸意味着电磁波谐振经历的弯曲度更小，从而Q值更高。

对于微波谐振器，由于微波波长较长，考虑到尺寸问题，谐振器通常在亚波长量级，如微带环(microstrip ring resonator)、开口环(split ring resonator)等，因此辐射损耗较大，品质因数值较低。虽然通过一些特殊的设计，如暗模、Fano谐振等可以实现较高品质因数的谐振器，但亚波长高品质因数的谐振器，其激励较为困难，其谐振峰或谷都较浅，激励效率不高。通常需要大规模谐振器阵列或将谐振器放入波导中，才可以实现较高的谐振强度。

人工局域表面等离激元，为一种基于人工亚波长结构的谐振器，通常为周期锯齿状结构的圆柱或圆盘。人工局域表面等离激元具有和光频的局域表面等离激元相似的特性，如高度的场增强、深度亚波长的场局域性等；因此在制造高灵敏度器件、减小电路和器件尺寸、增强传感灵敏度方面等方面具有很大的应用潜力。但和其他微波谐振器一样，人工局域表面等离激元也具有品质因数和谐振强度难以兼得的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种杂化等离激元谐振器，该谐振器通过多个谐振模式之间的干涉，具有高品质因数和高谐振强度的优点。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种高品质因数的杂化等离激元谐振器，所述谐振器为层状结构，其中最上层为传感区域层1，最下层为大面积金属地2，大面积金属地的上层为介质基片3，传感区域层的下层为谐振器本体4和微带线5所在的传输层6；

所述谐振器本体4为人工局域表面等离激元谐振结构7和扇形谐振结构8叠加形成；所述微带线5与谐振器本体4间设有缝隙，所述缝隙为传感区域的一部分。

传感区域(1)为只覆盖谐振器本体(4)，或覆盖全部谐振器本体(4)和部分和微带线(5)，或覆盖全部谐振器本体(4)和全部微带线(5)。

所述传感区域(1)为由外壁罩起来的封闭区域或开放空间，所述传感区域材料的折射率在(1,3)范围内。

优选地，所述传感区域(1)材料的折射率在(1，1.8)范围内。

所述人工局域表面等离激元谐振结构7为外周设有周期性锯齿的圆形，其圆形内径为r，圆环形锯齿结构9的半径为R；一周共有N个锯齿周期，每个周期中，金属条带为扇形，其弧长为a，单个周期宽度为d，其中d＝2πR/N，a<d。

所述扇形谐振结构8为圆弧外侧设有周期性锯齿结构10的扇形，扇形内径为R1，扇环形锯齿结构10的半径为R2。

扇环形锯齿结构(10)的单个锯齿周期宽度为d，锯齿宽度为a。

所述介质基片3为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。

所述介质基片3的厚度为1μm～10mm之间。

所述大面积金属地2、谐振器本体4和微带线5为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。

所述大面积金属地2、谐振器本体4和微带线5的厚度为50nm～1mm之间。

有益效果：本发明公开的杂化等离激元谐振器，利用多个电磁谐振模式间的相互干涉，形成了单个尖锐的谐振峰，可以同时增强谐振峰的品质因数和谐振强度，从而实现对介电环境的高灵敏度传感。该杂化激元谐振器在集成电路、传感芯片、微波毫米波和太赫兹传感中有着可观的应用前景。

本发明的工作原理如下：

谐振器可由时域耦合模理论(Coupled Mode Theory,CMT)分析。对于只有一个激励端口的情况，任意谐振模式nth,其振幅an,本征谐振频率ωn，本征衰减时间τn0，由端口耦合导致的衰减时间为τn1。则该模式遵循以下方程:

其中Sn,1+是从端口1流入的能量(S1+)进入第nth谐振模式的能量

除特殊情况，大部分谐振模式γn1≈1。 是由S1+到Sn,1+的耦合相位.耦合系数Kn1由耦合时间τn1和相位系数θn1决定：

当结构中存在多个谐振模式时，整个结构的谐振由多个模式相互干涉决定，其反射能量为：

则整个结构的反射系数为：

从方程(5)可见多个谐振模式的叠加项。

在实施例一中，我们将结合具体案例阐述耦合模理论。

附图说明

图1为本发明公开的谐振器的结构示意图；

图2为本发明公开的谐振器中谐振器本体的结构示意图；

图3为本发明公开的谐振器中谐振器本体的几何参数示意图；

图4为SLSP谐振器、扇形谐振器和杂化等离激元谐振器的S11曲线对比图；

图5为SLSP谐振结构、PR谐振结构两个谐振模式及杂化等离激元谐振器在谐振峰处的场分布和辐射方向图；

图6为耦合模理论下各个谐振模式的S11频谱图；

图7为本发明公开的谐振器在不同介电环境折射率变化下的S11曲线图；

图8为本发明公开的谐振器对表面覆盖F4B介质板材不同厚度的传感S11曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施案例做说明。

本发明公开了一种高品质因数的杂化等离激元谐振器，如图1所示，该谐振器为层状结构，图1-(a)为正视图，图1-(b)为侧视图。其中最上层为传感区域层1，最下层为大面积金属地2，大面积金属地的上层为介质基片3，传感区域层的下层为谐振器本体4和微带线5所在的传输层6；

如图2所示，谐振器本体4为人工局域表面等离激元(Spoof localized surfaceplasmon,SLSP)谐振结构7和扇形谐振结构(Perturb Resonator,PR)8叠加形成。图3为谐振器本体的几何参数示意图。人工局域表面等离激元谐振结构7为外周设有周期性锯齿的圆形，其圆形内径为r，圆环形锯齿结构9的半径为R；一周共有N个锯齿周期，每个周期中，金属条带为扇形，其弧长为a，单个周期宽度为d，其中d＝2πR/N，a<d。

所述扇形谐振结构8为圆弧外侧设有周期性锯齿结构10的扇形，扇形内径为R1，角度为θ，扇环形锯齿结构10的半径为R2。人工局域表面等离激元谐振结构7和扇形谐振结构8的圆心重叠，微带线5与谐振器本体4间设有缝隙，缝隙为传感区域的一部分。缝隙间距为S，微带线的宽度为w。扇环形锯齿结构10的单个锯齿周期宽度为d，锯齿宽度为a，与人工局域表面等离激元谐振结构7中圆环形锯齿结构9的周期d和宽度a一致，使二者可以重合；其半径R1和R2以及锯齿周期数即角度为θ可调节。

介质基片3可以为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。介质基片3的厚度为1μm～10mm之间。大面积金属地2、谐振器本体4和微带线5为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。大面积金属地2、谐振器本体4和微带线5的厚度为50nm～1mm之间。

实施例一：

本实施例杂化等离激元谐振器的结构如图1-3所示。其中几何参数为：R＝12mm,r＝2.5mm,d＝2.09mm,a＝0.6*d＝1.26mm,R1＝9mm,θ＝86°。该结构由50Ω微带线激励，介质基片3为0.5mm厚的F4B板材，其介电常数为2.65，损耗角正切0.001，微带线宽度w＝1.34mm,微带线到谐振器缝隙s＝0.2mm。

人工局域表面等离激元谐振器(SLSP)、扇形谐振器(PR)和本发明公开的杂化等离激元谐振器(Hybrid)(谐振器本体)的仿真S11曲线如图4所示。杂化等离激元谐振器的谐振峰在9.16GHz，S11＝0.04(-22.8dB)，品质因数Q＝142。而人工局域表面等离激元谐振器(SLSP)在8.96GHz为磁等离激元模式，Q＝44.8。由于两个谐振器叠加，人工局域表面等离激元谐振器(SLSP)在8.96GHz的谐振峰，扇形谐振器(PR)在8.9GHz和9.29GHz的谐振峰，三个模式同时存在于杂化等离激元谐振器Hybrid(谐振器本体)，三个模式相互叠加，实现了Q值3.4倍的增强。

为了衡量Q值和谐振强度，我们定义Figure of MeritFoM＝Q×δI，其中δI为S11谐振峰的振幅。杂化等离激元谐振器FoM＝143.8，人工局域表面等离激元谐振器FoM＝1.8，对比可见谐振峰实现了79.8倍的FoM增强。

人工局域表面等离激元谐振器(SLSP)、扇形谐振器(PR)和杂化等离激元谐振器(Hybrid,谐振器本体)在谐振峰处的场分布和辐射方向图如图5所示。从场分布，可以看出杂化等离激元谐振器的谐振模式，是由SLSP的谐振和PR的谐振叠加而成。而从辐射效率(Radiative Efficiency,RE)来看，虽然杂化等离激元谐振器的Q值很高，其辐射效率仍高达0.47。可见，杂化等离激元的高Q不是由于低辐射导致，而是由于多个模式之间的叠加干涉。高辐射效率，也使得这里的杂化等离激元谐振器易于由空间波激发，既可用于有线探测也可用于无线探测。

针对实施例一中具体的结构参数，应用耦合模理论，SLSP和PR谐振器三个模式的参数如表1所示。由于微带激励在这里是弱激励，因为三个模式的本征谐振频率即取为S11频谱的谐振频率，其他参数为拟合S11频谱得到。耦合模理论和仿真对比的结构如图6，其中三种形状的离散点为耦合模理论结果，黑色实线为仿真数据。可见，由SLSP的单个谐振和PR的两个谐振叠加，由耦合模理论得到的杂化等离激元谐振器(Hybrid,谐振器本体)的谐振曲线和仿真数据非常好的符合，从而证实了我们理论的可行性。

表1.耦合模理论中三个谐振的参数。

实施例二

传感区域1为由外壁罩起来的封闭区域或开放空间，其材料可以为气体、液体、固体或三者的混合；传感区域材料的折射率在(1,3)范围内。

本实施例采用和实施例一相同的几何结构，为该谐振器在不同介电环境(折射率范围1-1.8)传感中的应用，其电磁仿真结果如图7。图7为传感区域的折射率不同取值情况下，谐振器本体的反射率(S11)频谱；其中黑色实线为传感区域折射率等于1(空气)情况下的反射率S11。当传感区域1的折射率逐渐增大，我们可以看到S11频谱谐振频率的红移，频率随折射率变化的灵敏度为1.1GHz.RIU-1。而人工表面等离激元谐振器的灵敏度为0.27GHz.RIU-1。因此该杂化等离激元谐振器实现了介电环境传感灵敏度4.1倍的增强。

实施例三

本实施例采用和实施例一相同的几何结构，为其对于F4B介质板材厚度的探测，其实验测试结果如图8，图中空心圆、实心圆、空心三角形和实心三角形分别为F4B介质基片厚度在0.5mm、1mm、1.5mm和2mm时的S11曲线，黑色实线为没有覆盖介质基片时谐振器本体的S11频谱。可见随着表面介质材料厚度的增加，其谐振峰呈现明显的红移。

一种高品质因数的杂化等离激元谐振器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。