人工表面等离激元波导及天线若干进展

叶龙芳，王正一，陈仲凯，安国腾

(1.厦门大学 电子科学与技术学院 电磁声学研究院，福建 厦门 361005;2.东南大学 毫米波国家重点实验室，江苏 南京210096)

0 引言

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)一般是指介质或自由空间中的电磁波与金属表面自由电子相互作用而形成的沿着界面传播的电磁波模式，具有亚波长电磁束缚性能与突破衍射极限能力，在亚波长集成光波导、光子器件及系统的应用中极具潜力[1-2]。常见贵金属材料(如金、银等)的特征等离子频率位于红外和光波段，若采用光滑表面的金属线、金属板波导直接传输微波与太赫兹表面等离激元，会出现导波场的束缚性能十分微弱，容易对临近电路系统造成干扰。为了将表面等离激元的优异特性迁移至微波与太赫兹波段，提升微波与太赫兹波导及器件性能与小型化水平，英国帝国理工学院的J.B.Pendry教授团队于2004年首次提出了人工表面等离激元 (Spoof SPPs,SSPPs,或Designer SPPs) 的概念[3]，在微波与太赫兹波等低频段实现类似于光频段电表面等离激元的色散特性和亚波长场束缚性能。人工表面等离激元技术是一项能有效操控微波与太赫兹波特性的新技术。而研发小型化高性能微波与太赫兹人工表面等离激元波导、器件与天线，则是人工表面等离激元由“概念”走向“应用”的基础，有望为微波与太赫兹波导、器件与天线的小型化、集成化设计提供一条有效的新途径。

本文将简要地综述人工表面等离激元波导、功能器件、频扫漏波天线、涡旋波天线的若干最新研究进展及存在的问题与挑战，为新型人工表面等离激元波导与天线的开发及微波与太赫兹电路、器件及系统应用提供参考。

1 人工表面等离激元波导

波导是引导传输电磁波的基本结构，是电磁波信息传输的“桥梁”和“通道”，也是构成各种功能器件、电路、天线与集成系统的结构单元。人工表面等离激元波导因其具有灵活的色散调控能力与出色的导波场束缚性能，使其在微波与太赫兹电路、天线与集成系统中的应用及电磁兼容问题的解决方面极具潜力。

近年来，关于人工表面等离激元波导方面的研究已取得了一系列进展，其结构形式也从起初的立体块状结构发展到易于集成的平面结构。早期，J.B.Pendry教授等人提出了一种亚波长周期阵列开孔的块状金属结构表面的人工表面等离激元波导[3]，如图1(a)所示。其色散关系可表示为：

(a) 周期开孔的块状金属SSPP波导

(1)

式中，k‖为沿导体表面方向上的波数；ω为角频率；ωpl为等效等离子频率或SSPPs的截止频率：

(2)

因此，通过人工设计金属表面的亚波长周期阵列孔的结构尺寸，可以实现操控所引导电磁波的等离激元频率及其传播特性。在此基础上，通过设计亚波长周期性孔、柱、槽等方式，设计了多种立体结构人工表面等离激元波导[4-11]。例如，一维/二维周期性槽、孔加载的立体块状金属人工表面等离激元波导，周期性环形、螺旋型刻槽的金属线人工表面等离激元，周期性加载矩形、T形、L形、楔形以及凹形槽等块状结构加载的“多米诺骨牌”型人工表面等离激元波导等。虽然这些波导均在微波或太赫兹波段展现出类似光波段常规金属表面等离激元所具有的色散特性和亚波长场束缚性能，但因其庞大的三维结构，难以在大规模集成器件电路与系统中应用。为了解决这一难题，2013年，东南大学崔铁军教授团队提出了一种共形人工表面等离激元(Conformal Surface Plasmons,CSPs)波导结构[12]，该结构由柔性介质基板及其表面上的超薄梳状金属条带组成，实现了人工表面等离激元波导由立体结构向平面结构的转变。平面人工表面等离激元波导不仅在结构尺寸、束缚性能、集成源器件以及集成工艺兼容性等方面具有优势，还能表贴于弯曲物体表面实现共形电磁波传输应用。

人工表面等离激元波导可以通过改变结构化金属表面的结构尺寸等参数来灵活调控电磁特性甚至定制不同趋势的色散曲线，具有灵活的调控能力。通过对结构参数进行优化设计，在目标频段实现对电磁波的有效控制。针对矩形枝节/刻槽的常规平面人工表面等离激元波导因色散曲线的渐近频率与其枝节高度/凹槽深度成反比造成的波导横向尺寸过大的问题，国内外学者提出了多种形式的平面人工表面等离激元波导新结构，如T形、哑铃形、双面开槽等[13-17]，不仅支持基模或高次模SSPPs的高效传输，还能够实现一定程度的波导小型化。另外，为了克服波导的电磁束缚性能与波导横向尺寸之间的矛盾问题，厦门大学叶龙芳课题组提出了交错开槽、V形、分形、弯折枝节、阿基米德螺旋枝节加载的人工表面等离激元波导、方螺旋刻槽的平行双带线SSPP等新结构[18-23]，部分如图2所示。研究表明，这些波导具有更强的场束缚能力和更紧凑的尺寸，与具有相同渐近频率的梳状结构相比，阿基米德螺旋枝节加载的SSPP 波导和方螺旋刻槽的平行双带线人工表面等离激元波导结构可分别实现75%和80%的横向尺寸小型化。

(a) V形SSPP波导

当前，人工表面等离激元波导研究已取得显著进展，各种小型化人工表面等离激元波导新结构不断涌现，极大丰富了高性能SSPP波导结构形式与选择，在微波太赫兹波集成电路、器件与系统中具有重要应用价值。然而，尽管人工表面等离激元波导因具有强场束缚性能使其在抑制电磁信号串扰极具潜力，但是也造成了较大的插入损耗。如何实现增强场束缚性能的同时降低插损、提高传输距离是人工表面等离激元波导领域面临一个重要挑战。

2 人工表面等离激元功能器件

平面型人工表面等离激元波导作为一类拥有精细操控电磁模式与色散特性的导波结构，具有强场束缚性、色散可调、低损耗、可弯折、以及与微带、共面波导兼容等优点，在解决小型化与干扰抑制、信号完整性这一矛盾上具有天然的优势，能够广泛应用于新一代微波与太赫兹功能器件设计中，如过渡器、移相器、功分器、滤波器、放大器等，显示出良好的应用前景。例如，东南大学马慧锋教授等人[24]提出了一种宽带共面波导—SSPP 波导过渡器，通过喇叭状渐变金属地与凹槽逐渐加深的SSPP 波导结构，实现准TEM波与SSPPs之间阻抗匹配、波矢匹配与高效率的模式转换，如图3(a)所示。哈尔滨工业大学孟繁义教授课题组提出了基于人工表面等离激元的滤波液晶移相器，实现了良好的带阻滤波与可调移相双功能特性[25]。作者课题组提出一种基于十字分形结构SSPP威尔金森功分器，如图3(b)所示，通过由带双侧十字分形结构SSPP波导演变为2个相同分支单侧十字分形结构 SSPP 波导，实现了良好的微波等功率分配与端口隔离特性[20]。

滤波器与放大器是无线通信及雷达系统的重要组成部分。利用人工表面等离激元色散曲线的低通特性，结合波导结构特点，可设计出多种高性能的滤波器。例如，作者课题组提出一种基片集成人工表面等离激元波导带通滤波器[26]，如图3(a)所示，通过利用基片集成波导的高通特性和表面等离激元的低通特性来设计带通滤波器，在7.5～13.0 GHz超宽频带内实现了良好的带通特性。通过引入PIN二极管或变容二极管，还可以实现电控可调的人工表面等离激元器件。图3(b)所示为一种基于折叠枝节单元的SSPP陷波器，通过直流偏压控制开口环谐振器上PIN二极管的开关状态，达到陷波频点灵活切换的功能[27]。西安交通大学徐开达教授课题组设计了基于半模基片集成波导、共面波导的高性能微波毫米波SSPP滤波器等功能器件[28-29]。此外，如图4所示，东南大学张浩驰教授等人提出了一种加载变容二极管的SSPP波导可重构带通滤波器，可灵活地调谐通频带2侧的截止频率[30]；通过在SSPP波导上加载放大器芯片，实现了增益高达20 dB的宽频微波放大[31]；在此基础上，进一步提出了可编程SSPPs器件[32]。

(a) 基片集成人工表面等激元带通滤波器

(a) SSPP波导宽带微波放大器

由此可见，人工表面等离激元功能器件领域已取得了一系列研究成果，这些具有较高应用价值的高性能人工表面等离激元波导及功能器件，为人工表面等离激元由概念走向应用奠定坚实的基础。尽管如此，现有常见的人工表面等离激元器件往往需要具有多个周期重复的SSPP波导单元结构，纵向尺寸较大。如何提高器件性能的同时缩短其纵向长度是当前人工表面等离激元功能器件研究面临的一个重要问题。此外，对于部分单导体SSPP波导结构还存在难于集成有源器件的问题。

3 人工表面等离激元频扫漏波天线

除了上述滤波器、功分器等功能器件外，人工表面等离激元波导在天线领域也大有可为。频率扫描漏波天线作为一种空间波束扫描天线，其主波束指向随着馈入电磁波的频率变化而在空间中有规律扫描的特性，具有很强的主波束操纵和控制能力，被广泛应用于雷达、通信、航空航天等领域。早期的漏波天线是在周期性开缝的矩形波导上实现的[33]，但存在体积较大且主波束只能在前向象限扫描的缺点。近年来，研究人员提出了多种基于均匀周期结构加载平面漏波天线[34-39]，然而这些天线多数基于弱色散特性的传输线设计，天线的波矢较小，扫描角、扫描率、辐射效率有限，并且由于天线存在低辐射效率的模式耦合[40]，在其边射方向通常具有“开阻带”(Open Stop Band，OSB)效应，致使边射方向辐射性能较差。

人工表面等离激元漏波天线利用SSPP具有丰富的色散特性，根据漏波天线原理，通过在SSPP传输线上引入周期性调制或周期性加载辐射结构的方式，产生空间谐波辐射模，可在窄频段内实现高效的漏波辐射以及宽角度的波束扫描。SSPP天线具有结构简单、易于加工、低剖面等特点。例如，通过SSPP传输线上引入非对称的周期性阻抗调制的漏波天线，如非对称调制的Goubau SSPP天线、正弦调制SSPP天线、曲折线SSPP天线等[41-43]，如图5所示，均可实现高增益的漏波辐射，并可抑制OSB问题。研究人员通过在SSPP 传输线上加载金属贴片、矩形条带结构等引入周期性阻抗扰动的方式，设计了基于圆贴片加载和矩形贴片加载的SSPP漏波天线[44-46]，实现了较高效、宽角度的漏波辐射特性，如图6所示。另外，哈工大孟繁义教授、国防科大关东方教授等课题组也在SSPP漏波天线方面取得了多项优秀成果，如互补辐射单元加载的微带漏波天线[47]、加载横向与纵向缝隙的基集成波导漏波天线[48]、宽角度圆极化微带SSPP波导加载圆形贴片的双层结构漏波天线[49]及窄带宽角度正弦周期调制的开缝基片集成波导SSPP漏波天线等[50-51]。

(a) 基于非对称调制的Goubau天线

(a) 单侧圆形贴片加载的SSPP漏波天线

最近，作者课题组还提出了一种具有渐近频率低、模式束缚性能强平面开口环状枝节加载的人工表面等离激元波导[52]，通过在波导2侧周期加载双椭圆不对称贴片形成高效频扫漏波天线，有效地激发-1次空间谐波的辐射，如图7所示。当频率从6.3 GHz增加到11 GHz时，其波束可以实现-90°～+22°的空间扫描。得益于所提出的SSPP单元的优异色散特性，与现有其他工作相比，该天线的扫描范围、扫描率、增益与辐射效率等性能均得到了显著提升，并具有良好的开阻带效应抑制效果，可为高性能SSPP漏波天线设计与性能优化提供参考。

(a) 天线结构

近年来，人工表面等离激元漏波天线研究已取得长足进展。然而，人工表面等离激元强色散与强场束缚特性在提升漏波天线频率扫描特性的同时也面临空间谐波辐射模难以激发、有限长度漏波天线的辐射效率受限的问题。另外，部分现有的人工表面等离激元漏波天线在扫描角度范围、频率扫描率、辐射增益、效率及小型化等特性方面仍有一定的提升空间。

4 人工表面等离激元涡旋波天线

基于上述漏波天线的辐射原理，通过适当结构设计，还可以实现人工表面等离激元涡旋波辐射。涡旋电磁波是指携带有轨道角动量的电磁波，理论上具有无穷多个相互正交的轨道角动量模态，利用涡旋波可为无线通信提供一个新的复用维度，极大提高信道容量与频谱利用率。近年来，人工表面等离激元这一新概念也被引入到涡旋波天线研究设计中。例如，如图8所示，2018年，H.Su等人[53]通过使用SSPP波导耦合的6臂螺旋单元，成功地在亚波长尺寸下产生了涡旋波。J.Yin与Z.Liao等人[54-55]分别提出了基于SSPPs的环形双层双端口涡旋波天线与周期调制环形谐振器SSPP涡旋波天线，均实现在不同频率下产生不同阶OAM模式涡旋波辐射。L.Zhang等人[56]提出了一种单端口高阶模SSPP涡旋波天线，在9.1～10.1 GHz内实现的12阶OAM模式涡旋波辐射。作者课题组也提出了一种紧凑高效单馈双向五模SSPP涡旋波天线[57]，如图9所示，通过改变工作频率即可实现5种涡旋波模态切换，并且天线可同时向上和向下辐射具有相反拓扑电荷值的右旋圆极化和左旋圆极化涡旋波。

(a) SSPP波导耦合的6臂螺旋单元

(a) 天线结构

另外，还设计了一种基于人工表面等离激元的可重构涡旋波天线，通过PIN二极管实现2种涡旋波的模态重构。这些涡旋波天线均无需复杂的功分相移馈电网络，即可高效地产生不同OAM模态涡旋波。以上这些研究工作将为开展多模态可重构人工表面等离激元涡旋波天线的研发及其在下一代高速涡旋波无线通信系统中的应用提供保障。尽管如此，当前多模人工表面等离激元涡旋波天线存在模式发散、辐射增益、效率及其平坦度不足等问题尚待进一步研究解决。

5 结束语

本文从人工表面等离激元概念及特性入手，简要地综述了人工表面等离激元波导、功能器件、漏波天线和涡旋波天线4个方面若干研究进展，说明了人工表面等离激元相较于传统结构的优势，探讨了人工表面等离激元的应用潜力与挑战。近年来，高性能小型化人工表面等离激元波导、器件与天线研究方面已取得了诸多优秀的成果，为人工表面等离激元由概念走向应用奠定坚实的基础。相信在不远未来，人工表面等离激元将会以其优异的电磁特性在微波与太赫兹集成电路、器件、天线及系统等领域大放异彩。