摘要：人工表面等離激元（Sproof Surface Plasmon Polariton，SSPP）微波有源器件是一種新型的微波器件。本文首先概述了SSPP的理論基礎(chǔ)，介紹了雙極性晶體管（BJT）型、金屬絕緣體金屬（MIM）型和金屬半導(dǎo)體金屬（MSM）型三種SSPP微波有源器件的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，接著分析了SSPP在微波調(diào)制和微波控制中的多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。SSPP結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，能夠有效地滿足通信和雷達(dá)系統(tǒng)等對高性能微波有源器件的需求。

關(guān)鍵詞：表面等離激元；微波器件；微波調(diào)制；微波控制

人工表面等離激元（Sproof Surface Plasmon Polariton，SSPP）微波有源器件是一種新型的微波器件［1］，它利用人造納米結(jié)構(gòu)和金屬表面上的等離激元共振現(xiàn)象對電磁波進(jìn)行高效操縱。該技術(shù)具有控制電磁波頻率和強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，因此在通信、雷達(dá)、無線電頻譜分析、生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著信息通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對微波器件的需求也越來越高。傳統(tǒng)的微波技術(shù)通過改變電路元件的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對電磁波的操縱，該方法存在很多局限性。為了突破這種局限性，研究人員開始探索基于SSPP的微波有源器件，在物理結(jié)構(gòu)上直接對電磁波進(jìn)行控制，從而提高微波器件的效率和可控性。當(dāng)前，基于SSPP微波有源器件的研究集中在二維、三維等離子體結(jié)構(gòu)和納米材料等方面，包括微波天線、濾波器、調(diào)制器、放大器等器件的設(shè)計(jì)和制備。

SSPP微波有源器件的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，該技術(shù)可以為通信、雷達(dá)、無線電頻譜分析、生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域提供更為高效的技術(shù)手段，促進(jìn)納米科技的發(fā)展，并為微波技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和手段。

1人工表面等離激元理論基礎(chǔ)

1.1表面等離激元（SPP）

表面等離激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）是一種集體電子振動模式［2］，在金屬表面的介質(zhì)側(cè)界面上產(chǎn)生，由被束縛在金屬表面的自由電子與入射光場相互作用而形成。SPP可以引導(dǎo)光線在金屬表面?zhèn)鬏?，具有高度局域化、增?qiáng)電場等特性，在表面增強(qiáng)拉曼光譜、生物傳感器、納米光學(xué)和光電子學(xué)中有廣泛應(yīng)用。

SPP的原理是金屬中自由電子與光場相互作用，形成共振模式，將光能轉(zhuǎn)換為電磁波能量，使其緊密地束縛在金屬表面附近。該共振模式的頻率與金屬的折射率有關(guān)，金屬的折射率則與介電函數(shù)和電導(dǎo)率相關(guān)，SPP的頻率可以通過介電函數(shù)和電導(dǎo)率計(jì)算得出。其表達(dá)式如下［3］： ωSPP=cmd+2m（1）其中，ωSPP為SPP的頻率，c為光速，m為金屬的介電常數(shù)，d為周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。該表達(dá)式解釋了SPP頻率與金屬和介質(zhì)的物理性質(zhì)之間的關(guān)系，可以用于計(jì)算SPP的頻率和研究其物理性質(zhì)。

1.2人工表面等離激元（SSPP）

SSPP是基于納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的人工表面等離子體模式。通過在兩個(gè)導(dǎo)電表面之間引入極化器件（例如金屬納米棒或金屬納米孔陣列）來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)這些金屬納米結(jié)構(gòu)的尺寸和間距與入射光波長相當(dāng)時(shí)，它們可以激發(fā)出一種包含電磁場和電荷密度震蕩的復(fù)合模式，稱為SPP。SSPP是這種SPP在人工結(jié)構(gòu)上的體現(xiàn)。其表達(dá)式如下［4］： ωSSPP=cmd1+md（kxd）2（m+d）（k0）2（2）其中，ωsspp為SSPP 的角頻率，m和d分別為兩個(gè)導(dǎo)電表面的介電常數(shù)，d為兩個(gè)導(dǎo)電表面之間的距離，kx為光在x方向的波矢量，k0為自由空間中的光波矢量。SSPP和SPP是緊密相關(guān)的，它們都是介電常數(shù)分布不均勻的金屬表面上的光學(xué)激發(fā)模式，并且都能夠在納米尺度下限制和傳播光場。最重要的區(qū)別在于，SSPP是通過人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其頻率可調(diào)，并且可以控制其形態(tài)和性質(zhì)，而SPP則是由自然界提供的金屬表面本身的特性所決定

1.3微波有源器件

微波有源器件是一類能夠放大、調(diào)制或發(fā)生微波信號的器件。它們通常由半導(dǎo)體材料制成，可以在射頻和微波電路中起到關(guān)鍵作用。常見的微波有源器件有晶體管、器件反向器（PIN）二極管、功率放大器、固態(tài)振蕩器等。

晶體管是最常見的微波有源器件之一，可以用于放大器、開關(guān)和振蕩器等，其主要特點(diǎn)為高增益、低噪聲系數(shù)和較高的線性范圍，適用于各種微波系統(tǒng)。PIN二極管是一種被動器件，也可以作為微波放大器使用。相對于普通的二極管，PIN二極管具有更快的響應(yīng)時(shí)間和更高的截止頻率，主要應(yīng)用于微波和毫米波頻段的開關(guān)和調(diào)制器中。功率放大器是一種專門用于增強(qiáng)微波信號的器件，其輸出功率通?？梢赃_(dá)到數(shù)十瓦甚至更高。固態(tài)振蕩器是一種產(chǎn)生恒定頻率微波信號的器件，通常由負(fù)反饋電路和放大器組成，可以達(dá)到較高的頻率穩(wěn)定性、低的相噪聲和較小的尺寸，適用于各種雷達(dá)、通信和導(dǎo)航應(yīng)用。

2SSPP微波有源器件的類別

2.1雙極性晶體管（BJT）型

雙極性晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）型是SSPP微波有源器件的常用類型。BJT型SSPP微波有源器件通過控制金屬/半導(dǎo)體界面間的表面等離子體波來實(shí)現(xiàn)對微波信號的調(diào)制和放大，分為PNP型和NPN型兩種。

BJT型SSPP微波有源器件只需要較小的輸入信號即可將BJT型SSPP微波有源器件帶到飽和狀態(tài)，具有較高的驅(qū)動能力，可以應(yīng)用于射頻放大器、混頻器、振蕩器等。在無線通信系統(tǒng)中，BJT型SSPP微波有源器件常用于放大低功率的微波信號。在射頻電路中，BJT型SSPP微波有源器件用于構(gòu)建高增益、高靈敏度的射頻前端電路。在微波成像方面，通過對微波信號的調(diào)制和放大，實(shí)現(xiàn)對物體的成像，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的乳腺癌檢測。

研究人員已經(jīng)成功地利用BJT型SSPP微波有源器件實(shí)現(xiàn)了微弱信號的放大，同時(shí)還成功將其應(yīng)用于混頻器、振蕩器等領(lǐng)域。此外，還利用BJT型SSPP微波有源器件實(shí)現(xiàn)了對微波信號的快速調(diào)制和放大，將其應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2.2金屬絕緣體金屬（MIM）型

金屬絕緣體金屬（Metal-Insulator-Metal，MIM）型也是SSPP的常用類型。MIM型SSPP微波有源器件通過控制金屬、介質(zhì)、金屬界面之間的表面等離子體波來實(shí)現(xiàn)對微波信號的調(diào)制和放大，具有寬帶、高速度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。由于其優(yōu)秀的傳輸性能，MIM型SSPP微波有源器件可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的信號傳輸，并且響應(yīng)速度快，適用于高速數(shù)據(jù)處理和通信系統(tǒng)。同時(shí)，MIM型SSPP微波有源器件利用了表面等離子體波的局域化效應(yīng)，因此具有較高的效率。

MIM型SSPP微波有源器件具有寬帶、高速度、高效率和可重復(fù)性好等特點(diǎn)，在納米光電學(xué)、微波光子學(xué)、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。在納米光電學(xué)領(lǐng)域，MIM型SSPP微波有源器件可以應(yīng)用于納米光電學(xué)領(lǐng)域，例如光譜學(xué)、表面增強(qiáng)拉曼光譜等；在微波光子學(xué)領(lǐng)域，MIM型SSPP微波有源器件可以應(yīng)用于微波光子學(xué)領(lǐng)域，例如光纖光柵、激光光纖光柵等。在傳感器領(lǐng)域，MIM型SSPP微波有源器件的高靈敏度和穩(wěn)定性使其適用于傳感器領(lǐng)域，如氣體檢測、生物醫(yī)學(xué)成像等。

2.3金屬半導(dǎo)體金屬（MSM）型

金屬半導(dǎo)體金屬（Metal-Semiconductor-Metal，MSM）型SSPP微波有源器件，通過在金屬、半導(dǎo)體界面上形成局域化表面等離子體波來實(shí)現(xiàn)對微波信號的調(diào)制和放大。MSM型簡單易用、響應(yīng)速度快、容易集成等優(yōu)勢，在許多微波電路中被廣泛應(yīng)用。

MSM型簡單易用，制備工藝簡便，操作方便，不需要復(fù)雜的制備工序，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的微波信號檢測和調(diào)制。并且便于與其他微波器件進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)在通信系統(tǒng)領(lǐng)域，MSM型SSPP微波有源器件常用于微波信號的調(diào)制和檢測；在微波光子學(xué)中，MSM型SSPP微波有源器件廣泛應(yīng)用于微波光子學(xué)領(lǐng)域，例如光纖光柵、激光光纖光柵等。

3應(yīng)用分析

3.1微波調(diào)制

當(dāng)電子在金屬表面上運(yùn)動時(shí)，SSPP與相鄰的電荷發(fā)生相互作用，從而形成SPP，得益于其高度局域化和強(qiáng)烈增強(qiáng)的特性，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等。

在通信領(lǐng)域中，SSPP微波有源器件廣泛應(yīng)用于無線電頻段的射頻（Radio Frequency，RF）系統(tǒng)中。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠的信號傳輸，從而提高了通信系統(tǒng)的性能。在雷達(dá)領(lǐng)域中，SSPP微波有源器件也被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的控制和調(diào)制，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度和精度。在光學(xué)領(lǐng)域中，SSPP微波有源器件被應(yīng)用于紅外光學(xué)和太赫茲技術(shù)中。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光子和微波之間的轉(zhuǎn)換，并開發(fā)出新的光電器件和傳感器。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，SSPP微波有源器件被廣泛應(yīng)用于生物傳感器和醫(yī)療成像中。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對生物分子和細(xì)胞的高效檢測和成像，從而提高了生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用的效率。

研究人員利用SSPP微波有源器件實(shí)現(xiàn)微波相位調(diào)制［5］，并將其應(yīng)用于毫米波通信系統(tǒng)中。首先，將SSPP微波有源器件集成到一個(gè)射頻前端芯片中，然后通過控制電極施加的電場，實(shí)現(xiàn)對毫米波信號的相位調(diào)制。接著，他們將調(diào)制后的信號發(fā)送到一個(gè)接收端，并將其解調(diào)回原始信號。最后實(shí)現(xiàn)快速的相位調(diào)制，并降低插入損耗和提高帶寬。

3.2微波控制

在微波通信中，SSPP微波有源器件可以用作微波開關(guān)、調(diào)制器和干擾器等。當(dāng)SSPP微波有源器件作為微波開關(guān)使用時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)微秒級的快速開關(guān)操作，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)非常低的插入損耗和高的隔離度。這使得它可以被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，如射頻識別系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和5G通信系統(tǒng)等。SSPP微波有源器件還可以用作微波調(diào)制器。通過控制電極施加的電場，可以調(diào)節(jié)等離子體模式的相位和強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對微波信號的調(diào)制。這種調(diào)制方式比傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體材料的調(diào)制器具有更快的響應(yīng)速度、更低的插入損耗和更高的帶寬，因此被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，如光纖通信放大器、多路復(fù)用器和頻率轉(zhuǎn)換器等。

利用SSPP微波有源器件實(shí)現(xiàn)無源輻射成像時(shí)，可以在不需要外部干擾源或調(diào)制器的情況下，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的高分辨率成像。該技術(shù)主要基于表面等離子體模式和反射原理，通過控制SSPP微波有源器件上激發(fā)的表面等離子體模式的傳播和相位，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的輻射場進(jìn)行重構(gòu)和成像。與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，這種技術(shù)具有更高的分辨率、更廣泛的頻段和更好的準(zhǔn)確性。例如當(dāng)研究人員利用SSPP微波有源器件實(shí)現(xiàn)了對一個(gè)鳥巢的三維成像時(shí)，首先要將SSPP微波有源器件布置在鳥巢的周圍，然后通過控制器對其進(jìn)行操作，激發(fā)表面等離子體模式。其次，使用一個(gè)定制的接收系統(tǒng)測量由目標(biāo)物體反射回來的輻射場，并將數(shù)據(jù)處理成三維圖像。最后，實(shí)現(xiàn)對鳥巢的高精度成像，分辨率達(dá)到了毫米級別。

4結(jié)論

本文介紹了SSPP的3種微波有源器件，即雙極性晶體管（BJT）型、金屬絕緣體-金屬（MIM）型和金屬半導(dǎo)體金屬（MSM）型，并分析了它們的使用特點(diǎn)和適用場景。BJT型有較好的線性放大特性，但存在噪聲系數(shù)高和尺寸大的問題；MIM型具有低損耗和低驅(qū)動功率的優(yōu)點(diǎn)，但容易受到溫度變化的影響；MSM型則擁有較高的響應(yīng)速度和靈敏度，但也存在產(chǎn)生二次諧波等不利因素。同時(shí)，總結(jié)了SSPP在微波調(diào)制和微波控制的應(yīng)用情況。隨著通信、雷達(dá)、無線電等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，SSPP微波有源器件將在未來得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，并且涌現(xiàn)一批新型應(yīng)用模式。

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