CN107632390B - 一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线 - Google Patents
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Abstract
一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线，属于纳米光电子设备领域。本发明包括上下依次层叠且直径相等的上层圆盘和下层圆盘，其中上层圆盘相对下层圆盘可转动，上层圆盘采用二氧化硅材料制作成形，下层圆盘采用硅材料制作成形；所述的上层圆盘内嵌置有均沿上层圆盘径向方向设置的由金属棒阵列成形的金属棒阵列，金属棒阵列中的金属棒相互平行且以金属棒整列中间的金属棒为中心线相互对称。本发明提供的方向图可重构光学天线，可以实现水平面的波束指向任意可调。
Description
技术领域
本发明属于纳米光电子设备领域，尤其与一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线有关。
背景技术
近年来，纳米光学天线由于其独特的性质受到了极大地关注。纳米光学天线有一种空前的超强能力，它可以在纳米尺度上操控光与物质的相互作用。纳米光学天线可以当作散射器，用来重定向入射光，除此之外，纳米光学天线还可以应用在光电探测，传感，热传递，光谱等领域。
随着无线通信系统对天线的要求越来越高，有研究者提出了可重构天线的概念，随后得到了极大的发展。它可以通过动态调节天线的物理结构或者尺寸，使一副天线具备多副天线的功能，并根据实际需求改变它们自身的工作频率、极化方式和波束指向等。在微波波段，通常使用微电子开关(MEMS)、PIN二极管开关来改变辐射单元的结构，实现天线的工作频率、辐射方向图、极化方式的可重构。此外，利用石墨烯材料电导率动态可调的特性，在太赫兹频率范围内也可以实现天线的可重构。因此，有许多研究者利用石墨烯这一优点，实现了频率和方向图的可重构天线，例如，漏波天线，偶极子天线，八木天线等.如果改变纳米光学天线的尺寸，形状，成分和其它因素，可以动态调整纳米光学天线的谐振波长，散射效率和辐射特性，这将会是一件非常吸引人的事情。kai chen等人研究了一种机电可调谐的悬浮纳米光学天线，通过调整天线之间的间隙宽度，动态控制了纳米光学天线的光学特性，实现了纳米光学天线的共振和电磁场增强可逆调。J.Munarriz等人设计了一种辐射方向图可调谐的纳米光学天线，通过改变激励源的入射角度和极化方式，操纵纳米光学天线的方向图。然而这些类型的可重构光学纳米天线，只能在某些角度上实现方向图的可重构，它不能实现方向图的波束指向任意可调。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线。
为此，本发明采用以下技术方案：一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线，其特征是，包括上下依次层叠且直径相等的上层圆盘和下层圆盘，其中上层圆盘相对下层圆盘可转动，上层圆盘采用二氧化硅材料制作成形，下层圆盘采用硅材料制作成形；所述的上层圆盘内嵌置有均沿上层圆盘径向方向设置的由金属棒阵列成形的金属棒阵列，金属棒阵列中的金属棒相互平行且以金属棒整列中间的金属棒为中心线相互对称。
本发明使用时，下层圆盘固定不动，通过转动上层圆盘，调整嵌入二氧化硅圆盘内部金属棒阵列的角度，从而对电磁波的辐射进行操控，实现水平面的波束指向任意可调。另外，我们还研究了纳米光学天线的透射特性，通过改变纳米光学天线系统结构的一些参数，分析研究了这些参数对纳米光学天线透射谱的影响。
作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。
所述的金属棒长度由金属棒阵列中心往两侧逐渐变短。
使用本发明可以达到以下有益效果：本发明由两层圆盘组成，其中上层圆盘里包含一个纳米棒阵列，为了保持xoy平面方向图不随纳米棒阵列角度的变化发生失真现象，因此，我们把纳米棒阵列设计成关于中间金属棒的对称结构，下层圆盘用来作为基底，在整个模型系统中，上层圆盘填充的是二氧化硅，下层圆盘填充的是硅。本发明提供的方向图可重构光学天线，可以实现水平面的波束指向任意可调。
附图说明
图1a为本发明上层圆盘的结构示意图；
图1b为本发明的光学天线的沿金属棒轴向方向的剖视结构示意图；
图1c为上层圆盘结合具体实施例中的公式的参数标注表达示意图；
图1d为本发明结合具体实施例中的公式的参数标注表达示意图；
图2a当入射波长在1550nm，纳米棒阵列角度在之间取不同值的时候，纳米光学天线在xoy平面的方向图；
图2b当入射波长在1550nm，纳米棒阵列角度在之间取不同值的时候，纳米光学天线在xoy平面的方向图；
图2c当入射波长在1550nm，纳米棒阵列角度在之间取不同值的时候，纳米光学天线在xoy平面的方向图；
图2d当入射波长在1550nm，纳米棒阵列角度在之间取不同值的时候，纳米光学天线在xoy平面的方向图；
图2e当入射波长在1550nm，纳米棒阵列角度在之间取不同值的时候，纳米光学天线在xoy平面的方向图；
图2f当入射波长在1550nm，纳米棒阵列角度在之间取不同值的时候，纳米光学天线在xoy平面的方向图；
图3a当入射波长在1550nm，z＝0nm，纳米棒阵列角度的时候，纳米光学天线在xoy平面的电场分布图；
图3b当入射波长在1550nm，z＝0nm，纳米棒阵列角度的时候，纳米光学天线在xoy平面的电场分布图；
图3c当入射波长在1550nm，z＝0nm，纳米棒阵列角度的时候，纳米光学天线在xoy平面的电场分布图；
图3d当入射波长在1550nm，z＝0nm，纳米棒阵列角度的时候，纳米光学天线在xoy平面的电场分布图；
图3e当入射波长在1550nm，z＝0nm，纳米棒阵列角度的时候，纳米光学天线在xoy平面的电场分布图；
图3f当入射波长在1550nm，z＝0nm，纳米棒阵列角度的时候，纳米光学天线在xoy平面的电场分布图；
图4a当入射波长在1550nm的时候，纳米棒阵列角度取不同值的时候，纳米光学天线在xoz平面的方向图；
图4b当入射波长在1550nm的时候，纳米棒阵列角度取不同值的时候，纳米光学天线在xoz平面的方向图；
图5a当入射波长在1550nm的时候，纳米棒阵列角度取不同值的时候，纳米光学天线在yoz平面的方向图；
图5b当入射波长在1550nm的时候，纳米棒阵列角度取不同值的时候，纳米光学天线在yoz平面的方向图；
图6a当纳米棒阵列角度取不同值的时候，纳米光学天线的透射率和频率之间的关系；
图6b当纳米棒阵列角度取不同值的时候，纳米光学天线的透射率和频率之间的关系；
图7当lamd1在nm之间取值是不相同的时候，纳米光学天线的透射率和频率之间的关系；
图8当d1,d2,d3不发生变化的时候，w在nm之间取值不相同的时候，纳米光学天线的透射率和频率之间的关系；
图9当D1,D2,D3不发生变化的时候，w在nm之间的取值发生改变的时候，纳米光学天线的透射率和频率之间的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1a、如图1b所示，本发明包括上下依次层叠且直径相等的上层圆盘1和下层圆盘2，其中上层圆盘1相对下层圆盘2可转动，上层圆盘1采用二氧化硅材料制作成形，下层圆盘2采用硅材料制作成形；所述的上层圆盘1内嵌置有均沿上层圆盘1径向方向设置的由金属棒阵列成形的金属棒阵列3，金属棒阵列3中的金属棒相互平行且以金属棒阵列3中间的金属棒为中心线相互对称，所述的金属棒长度由金属棒阵列3中心往两侧逐渐变短。
本发明工作原理：
和微波射频天线不同，在光波波段，金属复介电常数的实部为负值，纳米光学天线的电磁感应是由等离子体振荡中的自由电子所主导的。随着天线尺寸的减少，金属纳米颗粒所产生的电感效应要强于它所产生的磁感应。在文中所设计的纳米天线，与共振波长相比，当纳米颗粒的尺寸足够小的时候，它所产生的磁感应可以忽略不计，此时，天线的共振近似于纳米颗粒在外电场下的准静态响应。通常情况下，纳米棒可以用极化率来描述它的特征，对于任意一个波长λ，纳米棒的极化率和入射电场之间的关系可以表示为
除此之外，纳米棒极化率还可以用失谐因子和损耗因子来表示，如下式(2)所示:
这里，
Ein是入射电场，εrod是金属纳米棒的介电常数，εmed是纳米棒阵列周围物质的介电常数，v是纳米颗粒的体积，N是与形状有关的去极化因子，一般情况下，N可以通过调节纳米棒的纵横比来进行改变，对于纳米棒而言，它的共振也取决于纳米棒的纵横比，一般来说，如果不考虑尺寸，相比于椭球体，细长的纳米棒有更长的共振波长。当N＞|Re[1/(εr-1)]|,偶极子共振是容性失谐，当N＜|Re[1/(εr-1)]|，偶极子共振是感性失谐。和射频波段一样，在光波波段，失谐和纳米棒的长度有关，短的纳米棒有小的共振波长，长的纳米棒有长的共振波长。联合公式(1)和公式(2)求解，可以得到失谐因子δ和损耗因子γ的表达式，发现纳米棒的失谐因子δ和损耗因子γ都与介电常数εr相关，如下式所示，
其中，
整个模型系统的材料属性都可以用失谐因子δ和损耗因子γ来概述，用来描述纳米棒阵列的损耗和光谱特性，所以，纳米颗粒的这两个参数对于纳米光学天线的设计是至关重要的。
在文中，我们设计的光学天线模型系统包含一个纳米棒阵列，如图1c和图1d所示，根据公式(1)-(4)对纳米棒极化率，失谐因子和损耗因子的分析研究，我们设计了光学天线的模型系统结构。为了保持xoy平面方向图不随纳米棒阵列角度的变化发生失真现象，因此，我们把纳米棒阵列设计成关于中间金属棒的对称结构，在整个模型系统中，我们把纳米棒阵列嵌入在一个介电常数为的圆盘里，用来作为基底圆盘的介电常数为，模型系统中其它的参数分布如下所示：圆盘半径R＝1200nm，二氧化硅的高度H1＝90nm，硅的高度H2＝200nm，纳米棒阵列与分界面间的高度H3＝20nm，纳米棒的宽度为w，纳米棒的高度h＝30nm，纳米棒的长度分别为L1，L2，L3，L4，纳米棒之间的间距分别为d1，d2，d3，为了方便下文对光学天线的研究，我们设定了以下这些参数之间的关系:介质中的波长,L1＝0.55，L2＝0.45，L3＝0.3，L4＝0.3，d1＝0.25，d2＝0.3，d3＝0.3，D1＝w+d1，D2＝w+d2，D3＝w+d3；金属的介电常数从文献中查找得知；
结果与分析：
角度变化对纳米光学天线特性的影响：
通过借助于有限元法(FEM)，实现了纳米光学天线模型系统的仿真计算，在仿真中，我们用一个平面波对模型系统进行激励，平面波从+z轴沿-z轴方向进行传播，极化方向沿y轴。在传统八木天线理论中，调整八木天线在某一个平面内的指向，八木天线在该平面的能量辐射方向会随之改变，其它平面方向图的形状保持不变。根据传统八木天线的理论，在文中，我们改变纳米棒阵列在xoy平面的指向，来操控电磁波在xoy平面的能量辐射方向，具体操作是通过固定下层圆盘，转动上层圆盘，通过改变纳米棒阵列在圆盘的相对位置，来改变纳米棒阵列角度的大小，实现对电磁波的辐射进行操纵，此外，我们还通过改变纳米棒阵列的长度，宽度和间距，研究了这些变化对纳米光学天线透射谱的影响。
我们研究了对电磁波辐射调控的作用以及研究的改变对纳米光学天线模型透射率的影响。从图2中得知，图2(a)-(f)表示了xoy平面的方向图随的改变而发生变化的过程，图2表明了纳米光学天线在水平面可以实现任意方向的波束指向，而且，当在和范围内改变的时候，纳米光学天线在xoy平面方向图的变化过程是一样的。为了更加直观的了解的改变对xoy平面方向图所带来的影响，我们也对xoy平面的电场分布情况进行了研究，如图3所示，当入射波长在1550nm的时候，我们得到了z＝0nm时候的xoy平面的电场分布图，从图中可以清晰的知道，当纳米棒阵列角度发生改变的时候，xoy平面的电场分布会随之发生相应的改变，这与图2方向图的改变基本一致，也与传统八木天线的理论相吻合.
从图4-5中可以知道，随着的变化，xoz平面和yoz平面的方向图基本上保持一致，只是在方向性D的大小上略有变化，在之间增加的时候，方向性随着的增大而增大，在之间增大的时候，方向性随着的增大而减少，同样地，这些现象也可以用传统天线理论解释，在某一个平面中,八木天线的指向发生改变，那么在该平面的方向图也会发生相应的改变，而其它平面的方向图基本上保持不变。
此外，我们还研究了对纳米光学天线透射率的影响，从图6中得知，随着的变化，纳米光学天线的透射谱也会发生变化，当在范围内逐渐增加的时候，在频率f＝198THz两边的透射谱慢慢的变得平缓,纳米光学天线的透射率在减少，当在之间逐渐增加的时候，在f＝198THz两边的透射谱慢慢的变得陡峭，纳米光学天线的透射率在增加。
纳米棒阵列结构变化对光学天线透射谱的影响：
随着纳米棒阵列结构的变化，光学天线的透射率也会发生变化，为了方便研究参数对透射率的变化，我们令L1＝0.55lamd1，L2＝0.45lamd1，L3＝0.3lamd1，L4＝0.3lamd1，d1＝0.25lamd2，d2＝0.3lamd2，d3＝0.3lamd2，我们研究了以下几种情况，第一种情况，纳米棒长度L1，L2，L3，L4发生变化，其它参数保持不变，第二种情况，纳米棒宽度w和参数D1，D2，D3变化，其它参数保持不变，第三种情况，纳米棒间距d1，d2，d3和宽度w改变，其它的参数保持不变。接下来，我们将依次分析这些变化对光学天线透射率带来的影响。
为了研究纳米棒阵列长度对光学天线透射率的影响，这里，我们取lamd2＝1069nm，lamd1从nm之间取值，如图7所示，随着lamd1的增加，光学天线的透射谱发生了红移现象，并且透射谱的幅值在逐渐变小。为了分析纳米棒宽度w和D1,D2,D3变化对光学天线透射谱的影响，这里，我们取lamd1＝1069nm,lamd2＝500nm,当纳米棒之间的间距d1，d2，d3不改变的时候，随着纳米棒宽度w的变化，D1,D2,D3也将逐渐的改变，纳米光学天线系统其余的参数保持一样。从图8中可以知道，光学天线透射谱的形状基本上保持不变，只是透射谱的幅值略有变化，当纳米棒之间的间距d1，d2，d3不改变的时候，随着w的增加，到达光学天线系统模型底部一端的电场能量在减少，透过纳米棒阵列的电磁波能量在减少，光学天线系统模型的透射率略有减小。
为了分析纳米棒宽度w和d1,d2,d3改变对光学天线透射谱的影响，这里，我们取lamd1＝lamd2＝1069nm，如图9所示，当D1,D2,D3不发生变化的时候，随着w的增加，纳米棒阵列之间的间距d1,d2,d3在逐渐减少，纳米棒之间的相互作用将会渐渐增强，此时，可以发现光学天线的透射谱中出现了旁瓣峰值，而且，随着w的增加，透射谷出现了蓝移现象,当D1,D2,D3不发生变化的时候，随着w的增加，纳米棒阵列处的表面等离子激元共振现象有所减弱，表面等离子激元的共振波长会随之减少，因此，在透射谷位置的共振波长就会向短波方向移动，同时还发现，当D1,D2,D3不发生变化的时候，随着w的增加，纳米棒阵列两侧的纳米棒之间的相互作用在增强，所以，透射谱中出现了旁瓣峰值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线，其特征在于：包括上下依次层叠且直径相等的上层圆盘(1)和下层圆盘(2)，其中上层圆盘(1)相对下层圆盘(2)可转动，上层圆盘(1)采用二氧化硅材料制作成形，下层圆盘(2)采用硅材料制作成形；所述的上层圆盘(1)内嵌置有均沿上层圆盘(1)径向方向设置的由金属棒阵列成形的金属棒阵列(3)，金属棒阵列(3)中的金属棒相互平行且以金属棒阵列(3)中间的金属棒为中心线相互对称。
2.根据权利要求1所述的一种水平面波束指向任意可调的方向图可重构光学天线，其特征在于：所述的金属棒长度由金属棒阵列(3)中心往两侧逐渐变短。
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