高小優(yōu)，楊曉慶，李哲

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065)

0 引言

復(fù)合材料在航空航天、醫(yī)療器械、軍工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因其具有高強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程中，由于制造設(shè)備或加工工藝等因素的影響，在結(jié)構(gòu)件中可能會(huì)產(chǎn)生空洞、疏松等類型缺陷。因此，為了確保產(chǎn)品的可靠性，非常有必要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

目前，一些無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(Nondestructive Testing，NDT)已被應(yīng)用于復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)中，例如超聲檢測(cè)，紅外熱成像檢測(cè)和射線檢測(cè)[2-5]。在超聲波檢測(cè)中，探頭與待測(cè)物表面之間需要耦合劑，以確保聲波能量足夠的耦合進(jìn)待測(cè)材料，但是這可能會(huì)造成待測(cè)材料被污染。在紅外熱成像檢測(cè)中，檢測(cè)的精度極易受環(huán)境溫度的影響，造成檢測(cè)結(jié)果不可靠。在射線檢測(cè)中，檢測(cè)費(fèi)用昂貴并且對(duì)人有輻射危害。與上述無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，微波無(wú)損檢測(cè)具有非接觸檢測(cè)，操作簡(jiǎn)易，輻射危害較低等優(yōu)勢(shì)。此外，微波對(duì)低介電損耗的復(fù)合材料穿透能力很強(qiáng)，其非常適用于復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。近年來(lái)，微波無(wú)損檢測(cè)被用于各種復(fù)合材料中的缺陷檢測(cè)[6-8]。但是，大多數(shù)微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都是基于傳統(tǒng)的開(kāi)口諧振環(huán)(Split Ring Resonator，SRR)和互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)結(jié)構(gòu)，傳感器的感應(yīng)面積小，從而導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)間成本高。

近來(lái)，表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的概念被提出。SPPs是一種束縛在金屬和介質(zhì)交界面并沿著交界面?zhèn)鞑サ奶厥獗砻娌?，在垂直于傳播方向的維度呈指數(shù)衰減[9]。通常SPPs只能存在于光學(xué)頻率范圍，而不能存在于微波頻率范圍。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]中提出了一種超薄梳狀金屬條帶結(jié)構(gòu)可以支持類似的表面波，稱其為人工表面等離激元(Spoof SPPs，SSPPs)。在微波頻率范圍，由SSPPs波的場(chǎng)能量被高度束縛在結(jié)構(gòu)表面，因此SSPPs結(jié)構(gòu)對(duì)附近的介電環(huán)境非常敏感，這為其應(yīng)用到微波無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域提供了可能性。

本文基于SSPPs提出了一種可用于復(fù)合材料缺陷檢測(cè)的SSPPs傳感器。提出的傳感器相比傳統(tǒng)的微波傳感器擁有更大的感應(yīng)區(qū)域，因此可以實(shí)現(xiàn)更加快速的檢測(cè)。此外，由SSPPs波導(dǎo)可以長(zhǎng)距離彎折傳輸，這個(gè)特性可以使SSPPs傳感器可以根據(jù)檢測(cè)需求設(shè)計(jì)成不同的彎折形狀。本文以兩種彎折形狀為例，設(shè)計(jì)了兩種相應(yīng)SSPPs傳感器。經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，彎折后的SSPPs傳感器仍然能夠有效的檢測(cè)出復(fù)合材料中的缺陷。本文提出的SSPPs傳感器還具有重量輕、成本低、易加工等優(yōu)點(diǎn)。

1 SSPPs理論

SSPPs波的電磁能量被高度束縛在金屬結(jié)構(gòu)表面，其在垂直于傳播方向的維度上的衰減常數(shù)α被定義為：

(1)

其中kx和k0分別表示為SSPPs在傳播方向的波數(shù)和自由空間中電磁波的波數(shù)。從公式1中可以得出，α?xí)S著kx的增加而增加。此外，在λ?p和λ?a條件下(λ為工作波長(zhǎng))，kx可以被定義為：

(2)

其中a，h和p分別表示SSPPs單元的槽寬，槽深和周期長(zhǎng)度，如圖1所示。從公式2中可以得出：在0k0，這表明SSPPs波的波速是小于光速的，因此其是一種慢波。此外，我們?cè)贑ST Microwave Studio 的本征模求解器中分析了周期性SSPPs單元的色散特性，其中SSPPs單元結(jié)構(gòu)大小為a=4mm，H=4.5mm，p=4mm，其仿真結(jié)果顯示在圖1中。由圖1我們可以得出，隨著槽深h的增加，SSPPs單元的色散曲線逐漸偏離光線，并且其截止頻率也逐漸降低，這也意味著h越大，SSPPs單元結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)的束縛也就越強(qiáng)。

圖1 SSPPs單元結(jié)構(gòu)隨槽深h變化的色散曲線

2 SSPPs傳感器設(shè)計(jì)

基于前面提出的SSPPs單元結(jié)構(gòu)，我們首先設(shè)計(jì)了一種直SSPPs傳感器結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。由圖2(b)可知SSPPs傳感器可以劃分為三個(gè)區(qū)域：共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide，CPW)區(qū)域，CPW-SSPPs過(guò)渡區(qū)域，SSPPs波導(dǎo)區(qū)域，三個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=7mm，L2=40mm，L3=113mm。圖2(b)為共面波導(dǎo)(Coplanar waveguide，CPW)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持準(zhǔn)橫電磁模(Quasi-transverse Electromagnetic，TEM)波。此外，為了滿足50Ω的輸入阻抗，CPW結(jié)構(gòu)大小設(shè)計(jì)為e=4.96mm，g=0.23mm。圖2(c)為CPW-SSPPs過(guò)渡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持準(zhǔn)TEM波轉(zhuǎn)換為SPPs波。凹槽深度由h1=0.5mm到h7=3.5mm，步長(zhǎng)為0.5mm。過(guò)渡段地面曲線的函數(shù)為y=C1eαx+C2，其中C1=(y2-y1)/(eαx2-eαx1)，C2=(y1eαx2-y2eαx1)/(eαx2-eαx1)，α=0.1(P1:(x1，y1)和P2：(x2，y2)分別為曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn))。圖2(d)為SSPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持SSPPs波的傳輸，由28個(gè)SSPPs單元組成。SSPPs傳感器的基板材料采用厚度為0.07mm聚酰亞胺(εr=3.5，tanθ=0.0027)，在基板上面印刷的銅箔厚度為0.035mm。

圖2 (a)SSPPs傳感器結(jié)構(gòu)(b)CPW結(jié)構(gòu)(c)CPW-SSPPs過(guò)渡結(jié)構(gòu)(d)SSPPS傳輸線結(jié)構(gòu)

在CST中，我們仿真了傳感器的S參數(shù)，仿真結(jié)果如圖3(a)。從圖中可以看出在頻帶內(nèi)，SSPPs波可以沿著梳狀金屬條帶有效的傳輸。在10GHz時(shí)，傳感器上方1.5mm處x-y平面的電場(chǎng)分布顯示在圖3(b)中，從圖中可以看出電磁能量被高度束縛在傳感器結(jié)構(gòu)的附近。

圖3 (a)傳感器S參數(shù)仿真結(jié)果(b)傳感器上方1.5mm處x-y平面的電場(chǎng)分布

SSPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)支持SSPPs波的長(zhǎng)距離彎折傳輸，這個(gè)特性意味著SSPPs傳感器可以根據(jù)檢測(cè)需求設(shè)計(jì)成不同的彎折形狀。在這一部分，我們以兩種彎折形狀為例：一種為半徑r=30mm的半圓彎折，另一種為四次θ=30°彎折設(shè)計(jì)兩種相應(yīng)形狀的SSPPs傳感器。圖4(a)顯示了兩種彎折形狀的SSPPs傳感器，主要的差異區(qū)域在SSPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。此外，為了便于不同形狀傳感器之間的比較，傳感器的SSPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)都是由28個(gè)SSPPs單元組成。圖4(b)顯示了三種形狀SSPPs傳感器的S21仿真結(jié)果。由圖4(b)可知，彎折所帶來(lái)的損耗是很小的，這意味著SSPPs波依然能夠被高度地束縛在彎折后的梳狀金屬條帶并有效傳輸。

圖4 (a)兩種不同彎折形狀的SSPPs傳感器(b)不同形狀SSPPs傳感器S21仿真結(jié)果比較

在CST中，我們模擬了直SSPPs傳感器用于檢測(cè)復(fù)合材料中空洞缺陷，檢測(cè)原理圖如圖5所示。待測(cè)材料(Material Under Test，MUT)為一塊具有表面淺溝槽結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃平板，在溝槽里填充有復(fù)合材料(εr=4，tanθ=0.01)。考慮一種簡(jiǎn)單的情況，在材料中有一個(gè)大小為hi*wi*li=1mm*2mm*2mm的長(zhǎng)方體空洞缺陷，其中缺陷距離材料表面的深度dp=0.2mm。圖5(b)-(c)顯示了在材料有無(wú)缺陷兩種情況下S21的幅度和相位結(jié)果。從圖5(b)-(c)可以看出，相比較與無(wú)缺陷的情況，缺陷的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致S21在截止頻率處的幅度和相位都發(fā)生明顯的變化。此外，圖5(d)顯示了材料有無(wú)缺陷兩種情況下，傳感器在10.8GHz時(shí)表面的電場(chǎng)分布。從圖5(c)可以看出，缺陷(紅色矩形框)會(huì)影響SSPPs波沿著梳狀金屬條帶的傳輸，這個(gè)現(xiàn)象解釋S21的截至頻率處發(fā)生變化的原因。

圖5 (a)檢測(cè)原理圖(b)有無(wú)缺陷兩種情況下S21幅度仿真結(jié)果(c)有無(wú)缺陷兩種情況下S21相位仿真結(jié)果(d)有無(wú)缺陷兩種情況下SSPPs傳感器表面的電場(chǎng)分布

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)上一部分仿真分析，我們驗(yàn)證SSPPs傳感器的SSPPs波導(dǎo)區(qū)域可以彎折成不同的形狀，并且由彎折所帶來(lái)的損耗很小。此外，我們還在CST中模擬了直SSPPs傳感器對(duì)復(fù)合材料中缺陷的檢測(cè)，相較于材料無(wú)缺陷的情況，缺陷會(huì)導(dǎo)致傳感器S21在截止頻率處的相位發(fā)生偏移。因此，可以基于SSPPs傳感器的S21參數(shù)在截止頻率處的相位變化來(lái)判斷待測(cè)材料有無(wú)缺陷。在這一部分，我們利用了傳統(tǒng)的印刷電路板工藝加工了兩種不同彎折形狀的SSPPs傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證SSPPs傳感器的有效性。

如圖6顯示了加工的兩種SSPPs傳感器。在實(shí)驗(yàn)中，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析(Ceyear 4957D)作為測(cè)試信號(hào)源和相位測(cè)試儀器。圖7顯示了兩種形狀的傳感器空載時(shí)S21參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果有一些差異，誤差主要來(lái)源于傳感器的加工誤差以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備誤差。實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試工件為具有表面淺溝槽結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃平板，其中溝槽的形狀與傳感器的形狀一致，在溝槽內(nèi)填充有復(fù)合材料。一種形狀的傳感器對(duì)應(yīng)兩件測(cè)試工件，一件無(wú)缺陷，一件有空洞缺陷，其中缺陷大小為1mm×2mm×2mm。檢測(cè)過(guò)程中需要保證傳感器的金屬條帶區(qū)域緊貼復(fù)合材料表面。

圖6 SSPPs傳感器加工實(shí)物

圖7 (a)四次30°彎折SSPPs傳感器空載時(shí)S21 實(shí)測(cè)與仿真(b)半圓彎折SSPPs傳感器空載S21實(shí)測(cè)與仿真

圖8顯示了兩種形狀的SSPPs傳感器分別在測(cè)試工件有無(wú)缺陷兩種情況下的S21的相位情況。從測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)測(cè)試工件存在缺陷時(shí)，兩種形狀的傳感器S21的相位發(fā)生都發(fā)生了明顯的變化。

圖8 (a)四次30°彎折SSPPs傳感器S21相位測(cè)試結(jié)果(b)半圓彎折SSPPs傳感器S21相位測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于SSPPs概念，提出了一種可應(yīng)用于復(fù)合材料的微波無(wú)損檢測(cè)的SSPPs傳感器，傳感器由傳播金屬條帶組成，具有較大的感應(yīng)面積。把SSPPs波導(dǎo)支持SSPPs波長(zhǎng)距離彎折傳輸這個(gè)特性應(yīng)用到了微波無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。本文以兩種彎折形狀的SSPPs傳感器為例，通過(guò)分析S參數(shù)來(lái)評(píng)估彎折所帶來(lái)的損耗。通過(guò)分析傳感器表面電場(chǎng)的分布，對(duì)傳感器應(yīng)用到復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的背后機(jī)理進(jìn)行了研究?；谟∷㈦娐钒寮夹g(shù)加工制作了兩種彎折形狀的傳感器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，本文所提出的SSPPs傳感器還具有重量輕、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)。