一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器制造技术

本发明专利技术属于微波/毫米波检测技术领域，具体涉及一种零折射率超材料耦合微波/毫米波回音壁模的传感器。在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。本发明专利技术提供一种可使回音壁模传感器的耦合效果、灵敏度得到提高，并可实现在线、实时、自动连续检测的传感装置。

【技术实现步骤摘要】
一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器
本专利技术属于微波/毫米波检测
，具体涉及一种零折射率超材料耦合微波/毫米波回音壁模的传感器。技术背景 回音壁模(WGM, Whispering Gallery Mode)是产生于高介质常数(相对于背景媒质)的某种闭合形状的介质中的谐振模式，其内电磁场的分布形式依赖于具体形状，常用的有圆盘、圆环、介质球等。当波在环状介质中传播时，经过在内表面两侧发生多次全反射形成回音壁模式。回音壁模属于环形结构介质谐振器的高阶角向模，在谐振状态下大部分电磁能束缚在环状区域内。基于回音壁模的介质谐振器具有体积小、Q值高、成本低等优点，在激光技术、光信息处理、波分复用、滤波、调制和传感等方面有着广泛应用。回音壁模传感器是基于产生回音壁模的介质环谐振器的谐振频率或Q值与其几何尺寸、材料及背景媒质参数的依存关系，当附着在其表面的待测物质对谐振器的谐振频率和Q值发生改变，通过测量谐振频率或Q值可以反演被测物质的电磁特性。采用介质波导稱合方式的回音壁模传感器技术比较成熟。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.)用介质波导将电磁波稱合进入介质盘构成的回音壁模谐振器实现了在毫米波段的生物传感。这类传统的回音壁模传感器的耦合方式是通过介质波导的倏势场渗透到介质环，从而激励环内产生回音壁模，耦合效率受距离等的影响；随着频率的增大，向外的辐射也增大，Q值相应减小，引起灵敏度的减小。因此，改进耦合方式，提高耦合效率仍然是实现高性能回音壁模传感器的途径之一。零折射率超材料是本世纪初提出的一种新型人工电磁材料[崔万照.电磁超介质及其应用[M].国防工业出版社，2008.1.]，它具有奇特的电磁特性，电磁波通过该种媒质时空间相位几乎不变，电磁场可视为准静态场，在该种材料中加载其它异质结构可以改变电磁波的传输系数。目前，实验上可以制备出微波频率范围内的各向异性零折射率材料[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)];而理论上可以通过将两个相互垂直方向上的各向异性的零折射率材料叠加等效为各向同性的零折射率材料，从而克服了 制备上的困难[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.]通过零折射率超材料中加载介质环缺陷实现了波导的全反射和全透射，为设计本专利技术提供了思路。但关于零折射率超材料中植入产生回音壁模的介质环方面的研究及其在传感技术中的应用，国内外有关文献均未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:如何提供一种可使回音壁模传感器的耦合效果、灵敏度得到提高，并可实现在线、实时、自动连续检测的传感装置。本专利技术所采用的技术方案是:一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。作为一种优选方式:介质环的形状为圆柱形、椭圆柱形或跑道状结构，周长约为入射波波长的数倍到数十倍。作为一种优选方式:零折射率超材料为介电常数和磁导率都接近零的阻抗匹配媒质或只有介电常数为零或只有磁导率为零或电磁参数张量中主对角线元素部分为零的各向异性材料。作为一种优选方式:物料入口为环形敞口型喇叭状，物料出口为环形收缩喇叭状。作为一种优选方式:信号馈入端口和输出端口通过波导探针进行耦合、接收。本专利技术的有益效果是:本专利技术利用零折射率超材料具有零传播常数及极限相速，从而其内的电磁场在空间呈准静态分布，嵌入其中的回音壁环可以接受来自各个方位的波的耦合，因此可以极大地提高耦合效率；同时，当介质环达到完全谐振时，环外侧几乎不存在倏逝波，环内的倏逝波得到增强，从而可以提高对环内放置的待测物检测的敏感度。【附图说明】图1是本专利技术主视图示意图； 图2是本专利技术的俯视图不意图； 图3是实施例1介质环发生谐振时回音壁模场及对应的场值曲线； 图4是实施例1环内填充不同介质时的透射谱； 图5是本专利技术的耦合效果与传统介质波导耦合效果比较示意图； 图6是实施例2介质环发生谐振时回音壁模场及对应的场值曲线； 图7是实施例2环内填充不同介质时的透射谱。其中，1、金属平面波导，2、零折射率材料，3、介质环，4、物料入口，5、物料出口，6、馈入端口，7、输出端口。【具体实施方式】本专利技术提出的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其具体结构为:一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导(I);波导内填充零折射率超材料:由F4B印刷电路板为基底、上面渡有铜金属膜的开口谐振环(SRR)周期结构构成(2);其内植入高介电常数(相对介电常数取4-8)的介质圆环(3);上侧物料入口(4)、下侧物料出口(5)；在零材料两端分别与空气层平板金属波导连接构成波导端口激励、接收装置(6)、(7)，如图1、图2所示。其中，上、下极板为完美电导体(PEC, Perfect Electric Conductor),填充着空气的区域1、区域3被区域2分开。零折射率超材料(ε3，μ3)中放置中心含绝缘介质(ε 1； μ:)的介质环(ε2，μ2)构成区域2，圆环的内、外半径分别为a、b ;实例一:图2中，上、下极板为完美电导体(PEC, Perf本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于：在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。

【技术特征摘要】
1.一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于:在一对由紫铜金属平板构成的金属平面波导中间填充零折射率超材料，零折射率超材料内部植入高介电常数的介质环，介质环上端有物料入口下端有物料出口，波导的信号馈入端口和输出端口位于波导中零折射率超材料两侧与紫铜金属平板连接的位置。2.根据权利要求1所述的一种零折射率超材料平板波导耦合回音壁模的传感器，其特征在于:介质环的形状为圆柱形、椭圆柱形或跑道状结构，周长约为入射波波长的数倍到数十倍。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹斌照，刘欣，梁文娟，杨毅彪，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14