[发明专利]一种高效无限通道行波-表面波天线及其实现方法

说明书

本发明公开了一种高效无限通道行波‑表面波天线及其实现方法。本发明采用散射阵列和人工表面等离激元SSP双曲超表面；TE极化的行波以任意角度δ入射到散射阵列上，附加的佛洛魁波矢会被引入到透射波中，当SSP双曲超表面的等频色散曲线满足波矢匹配条件时，从散射阵列透射的消逝波能够高效地激发SSP双曲超表面上的人工表面等离激元，沿着SSP双曲超表面内定向传输，本发明不但能够实现无限通道的行波‑表面波耦合，且同时拥有较高的效率；当入射角小于44°时，TE极化入射行波的总耦合效率超过50％，此外，在0°入射时，最大耦合效率能够达到91.9％；本发明不局限于微波波段，在太赫兹波段，应用该方法同样能够得到无限通道的行波‑表面波天线。

技术领域

本发明涉及微波频段表面波天线领域，具体涉及一种高效无限通道行波-表面波天线及其实现方法。

背景技术

表面波是一种局附在结构表面的传输常数大于自由空间波矢的电磁波。其特有的亚波长局附性和局部场增强特性使得它在超分辨率成像，新型光子集成电路，完美吸波材料，片上太赫兹波源和生物传感等领域具有巨大的应用前景。由于表面波和空间行波之间巨大的波矢失配，实现高效且灵活的空间行波到表面波的耦合是一个巨大的挑战。为了克服这一困难，很多可以弥补波矢适配的传统天线例如金属光栅被引入来实现行波到表面波的完美耦合。然而，这些传统天线基本上都面临着体积过大和效率过低的缺点。

基于这些问题，在2012年，一种可以作为连接空间行波和表面波桥梁的新型的反射型超表面天线的概念被提出。和传统方法不同的是，通过精确地调节相位梯度，超表面天线可以在入射的空间行波上直接叠加指定的波矢来实现其与表面波的波矢匹配。基于透射型超表面天线的进一步结构优化显示空间行波到表面波的耦合效率可以达到73％。除了具有较高的效率，和传统的耦合手段相比，基于超表面天线的行波-表面波耦合还具有灵活性高和超薄的优势。然而，受限于内在的一维属性，几乎所有的行波-表面波天线包括传统天线和超表面天线都只有一个固定的空间通道(仅在某一特定的空间入射角度才能实现高效耦合)。这一特性严重限制了其在实际应用中的前景。为了打破这一限制，实现无限通道行波-表面波耦合，科研人员提出并实验验证了一种通过改变入射行波正交线极化的方向来实现双通道表面波耦合的超表面天线。此后，利用几何相位超表面，针对正交圆极化入射波的双通道表面波天线也被设计并实验验证。最近，针对某一单一极化状态入射行波实现双通道表面波耦合的双相位梯度的超表面也被提出并验证。以上所介绍的方法为设计实现双通道行波-表面波天线提供了新的思路。但是，这些方法带来的通道数的提升是极其有限的(理论上不超过4个)，且这些通道之间是离散的。这意味着当入射行波轻微偏移指定入射角度时，所设计天线的行波-表面波耦合效率会大大降低。

发明内容

针对以上现有方法中存在的问题，本发明提出了一种无限通道行波-表面波天线及其实现方法，本发明的行波-表面波天线具有耦合效率高，通道数量多且连续的优点，对于新型光子集成电路，生物传感和亚波长分辨率成像的发展和应用具有广泛而深远的意义。

本发明的目的在于提供一种无限通道行波-表面波天线。