一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器的製造方法
2023-05-13 04:23:16 1
一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明屬於微波/毫米波檢測【技術領域】，具體涉及一種零折射率超材料耦合微波/毫米波回音壁模的傳感器。在一對由紫銅金屬平板構成的金屬平面波導中間填充零折射率超材料，零折射率超材料內部植入高介電常數的介質環，介質環上端有物料入口下端有物料出口，波導的信號饋入埠和輸出埠位于波導中零折射率超材料兩側與紫銅金屬平板連接的位置。本發明提供一種可使回音壁模傳感器的耦合效果、靈敏度得到提高，並可實現在線、實時、自動連續檢測的傳感裝置。
【專利說明】一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器
[0001]【技術領域】
本發明屬於微波/毫米波檢測【技術領域】，具體涉及一種零折射率超材料耦合微波/毫米波回音壁模的傳感器。
[0002]技術背景
回音壁模(WGM, Whispering Gallery Mode)是產生於高介質常數(相對於背景媒質)的某種閉合形狀的介質中的諧振模式，其內電磁場的分布形式依賴於具體形狀，常用的有圓盤、圓環、介質球等。當波在環狀介質中傳播時，經過在內表面兩側發生多次全反射形成回音壁模式。回音壁模屬於環形結構介質諧振器的高階角向模，在諧振狀態下大部分電磁能束縛在環狀區域內。基於回音壁模的介質諧振器具有體積小、Q值高、成本低等優點，在雷射技術、光信息處理、波分復用、濾波、調製和傳感等方面有著廣泛應用。
[0003]回音壁模傳感器是基於產生回音壁模的介質環諧振器的諧振頻率或Q值與其幾何尺寸、材料及背景媒質參數的依存關係，當附著在其表面的待測物質對諧振器的諧振頻率和Q值發生改變，通過測量諧振頻率或Q值可以反演被測物質的電磁特性。
[0004]採用介質波導稱合方式的回音壁模傳感器技術比較成熟。例如，Aidin Taeb等(Aidin Taebj Mohammad Neshatj Suren Gigoyana and Safieddin Safav1-Naein1.A low-costmillimeter-wave whispering gallery-mode-based sensor: design considerationsand accurate analysis [J].1nternational Journal of Microwave and WirelessTechnologies, 2012, 4(3):341-348.)用介質波導將電磁波稱合進入介質盤構成的回音壁模諧振器實現了在毫米波段的生物傳感。這類傳統的回音壁模傳感器的耦合方式是通過介質波導的倏勢場滲透到介質環，從而激勵環內產生回音壁模，耦合效率受距離等的影響；隨著頻率的增大，向外的輻射也增大，Q值相應減小，引起靈敏度的減小。因此，改進耦合方式，提高耦合效率仍然是實現高性能回音壁模傳感器的途徑之一。
[0005]零折射率超材料是本世紀初提出的一種新型人工電磁材料[崔萬照.電磁超介質及其應用[M].國防工業出版社，2008.1.]，它具有奇特的電磁特性，電磁波通過該種媒質時空間相位幾乎不變，電磁場可視為準靜態場，在該種材料中加載其它異質結構可以改變電磁波的傳輸係數。目前，實驗上可以製備出微波頻率範圍內的各向異性零折射率材料[Hui Feng Ma, Jin Hui Shi, Wei Xiang Jiang, and Tie Jun Cu1.Experimental realization of bending waveguide using anisotropic zero indexmaterials s [J].App1.Phys.Lett.，101，253513 (2012)];而理論上可以通過將兩個相互垂直方向上的各向異性的零折射率材料疊加等效為各向同性的零折射率材料，從而克服了 製備上的困難[Kuang Zhang, Jiahui Fuj L1-Yi Xiao, Qun Wuj and Le-Wei L1.Total transmission and total reflection of electromagnetic waves by anisotropicepsilon-near-zero metamaterials embedded with dielectric defects s[J].J.App1.Phys.113，084908 (2013) ] 0 Jie Luo 等[Jie Luo，etc..Manipulate the TransmissionsUsing Index-Near-Zero or Epsilon-Near-Zero Metamaterials with Coated Defects [J].Plasmonicsj June 2012，7: 353-358.]通過零折射率超材料中加載介質環缺陷實現了波導的全反射和全透射，為設計本發明提供了思路。但關於零折射率超材料中植入產生回音壁模的介質環方面的研究及其在傳感技術中的應用，國內外有關文獻均未見報導。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是:如何提供一種可使回音壁模傳感器的耦合效果、靈敏度得到提高，並可實現在線、實時、自動連續檢測的傳感裝置。
[0007]本發明所採用的技術方案是:一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，在一對由紫銅金屬平板構成的金屬平面波導中間填充零折射率超材料，零折射率超材料內部植入高介電常數的介質環，介質環上端有物料入口下端有物料出口，波導的信號饋入埠和輸出埠位于波導中零折射率超材料兩側與紫銅金屬平板連接的位置。
[0008]作為一種優選方式:介質環的形狀為圓柱形、橢圓柱形或跑道狀結構，周長約為入射波波長的數倍到數十倍。
[0009]作為一種優選方式:零折射率超材料為介電常數和磁導率都接近零的阻抗匹配媒質或只有介電常數為零或只有磁導率為零或電磁參數張量中主對角線元素部分為零的各向異性材料。
[0010]作為一種優選方式:物料入口為環形敞口型喇叭狀，物料出口為環形收縮喇叭狀。
[0011]作為一種優選方式:信號饋入埠和輸出埠通過波導探針進行耦合、接收。
[0012]本發明的有益效果是:本發明利用零折射率超材料具有零傳播常數及極限相速，從而其內的電磁場在空間呈準靜態分布，嵌入其中的回音壁環可以接受來自各個方位的波的耦合，因此可以極大地提高耦合效率；同時，當介質環達到完全諧振時，環外側幾乎不存在倏逝波，環內的倏逝波得到增強，從而可以提高對環內放置的待測物檢測的敏感度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明主視圖示意圖；
圖2是本發明的俯視圖不意圖；
圖3是實施例1介質環發生諧振時回音壁模場及對應的場值曲線；
圖4是實施例1環內填充不同介質時的透射譜；
圖5是本發明的耦合效果與傳統介質波導耦合效果比較示意圖；
圖6是實施例2介質環發生諧振時回音壁模場及對應的場值曲線；
圖7是實施例2環內填充不同介質時的透射譜。
[0014]其中，1、金屬平面波導，2、零折射率材料，3、介質環，4、物料入口，5、物料出口，6、饋入埠，7、輸出埠。
[0015]
【具體實施方式】
[0016]本發明提出的一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，其具體結構為:一對由紫銅金屬平板構成的金屬平面波導(I);波導內填充零折射率超材料:由F4B印刷電路板為基底、上面渡有銅金屬膜的開口諧振環(SRR)周期結構構成(2);其內植入高介電常數(相對介電常數取4-8)的介質圓環(3);上側物料入口(4)、下側物料出口(5)；在零材料兩端分別與空氣層平板金屬波導連接構成波導埠激勵、接收裝置(6)、(7)，如圖1、圖2所示。其中，上、下極板為完美電導體(PEC, Perfect Electric Conductor),填充著空氣的區域1、區域3被區域2分開。零折射率超材料(ε3，μ3)中放置中心含絕緣介質(ε 1； μ:)的介質環(ε2，μ2)構成區域2，圓環的內、外半徑分別為a、b ;
[0017]實例一:
[0018]圖2中，上、下極板為完美電導體(PEC, Perfect Electric Conductor),填充著空氣的區域1、區域3被區域2分開。零折射率超材料(ε 3，μ 3)中放置中心含絕緣介質(ε 1； μ:)的介質環(ε2，μ2)構成區域2，圓環的內、外半徑分別為a、b ;
[0019]結構中選用紫銅為波導極板，在微波波段可近似地認為是完美電導體，相應的傳播模式為 TM 模，波導尺寸取為 120mmX 45mm, a = 12mm, b = 15mm, ε lr = 1.5, ε 2r = 5,μ lr = μ 2r = I, e3r= μ 3r = 0.001 o 根據文獻[Yeh, C., Shimabukuro, F.The Essence ofDielectric Waveguides [M].Springer:New York, NY, USA, 2008]，諧振(特徵)頻率的理論計算式為
【權利要求】
1.一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，其特徵在於:在一對由紫銅金屬平板構成的金屬平面波導中間填充零折射率超材料，零折射率超材料內部植入高介電常數的介質環，介質環上端有物料入口下端有物料出口，波導的信號饋入埠和輸出埠位于波導中零折射率超材料兩側與紫銅金屬平板連接的位置。
2.根據權利要求1所述的一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，其特徵在於:介質環的形狀為圓柱形、橢圓柱形或跑道狀結構，周長約為入射波波長的數倍到數十倍。
3.根據權利要求1所述的一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，其特徵在於:零折射率超材料為介電常數和磁導率都接近零的阻抗匹配媒質或只有介電常數為零或只有磁導率為零或電磁參數張量中主對角線元素部分為零的各向異性材料。
4.根據權利要求1所述的一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，其特徵在於:物料入口為環形敞口型喇叭狀，物料出口為環形收縮喇叭狀。
5.根據權利要求1所述的一種零折射率超材料平板波導耦合回音壁模的傳感器，其特徵在於:信號饋入埠和輸出埠通過波導探針進行耦合、接收。
【文檔編號】G01N27/00GK104007141SQ201410198765
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】曹斌照, 劉欣, 梁文娟, 楊毅彪 申請人:太原理工大學