CN107768839A - 一种太赫兹超材料极化隔离器 - Google Patents

Abstract

太赫兹超材料极化隔离器，涉及一种亚波长反射极化隔离器件。本发明在介质基板的底面设置有金属光栅，在介质基板顶面设置有金属贴片阵列，所述辐射金属贴片阵列周期性排布，每个周期单元为一行；金属贴片的形状为带有开口的正方形环，开口设置于正方形环的一个边的中点处，金属贴片的各边皆为正交设置。本发明采用二维平面人工微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的相位调控，并且该结构简单可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。

Description

一种太赫兹超材料极化隔离器

技术领域

本发明涉及一种亚波长反射极化隔离器件。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是一段有待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在物理、化学、电子信息、成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。

由于技术的进步，雷达工作频率现如今越来越高，突破厘米波段接受发隔离器件或系统在更高频段上应用的限制成为重要的研究课题。收发开关是雷达系统中一种特殊的装置，它允许发射机和接受机共用一部天线系统，在发射时要保护接受机不被破坏，在接收时它把回波信号送到接受机，在天线收发开关应用场合，发射机的峰值功率可以达到1MW或更高，而接收机允许的最大安全功率小于1W。因此天线收发收发开关需要在发射机和接收机之间提供大于60dB的隔离，然而，对于所需的信号传输损耗应该更小以至于可以忽略不计。

随着现代通信系统技术的发展，单纯的极化器件已经难以满足。利用极化分离技术，可以实现无线系统中对多极化天线的迫切需求，极大的拓展了人工结构材料的极化操控性能。由于在雷达系统中由于发射与接收极化方式不同，利用极化分离不仅可以有效的保护接收与发射装置，而且实现了了雷达的灵活性。在材料检测中使用多极化检测可以了解更多的材料的特性，在实验测试中极化分离技术也十分重要。圆极化拥有雨雪衰减小，穿透电离层强，而线极化制造简单而且效率高的特点，实现圆极化分离，线极化分离各有优点。而且无论线极化还是圆极化，都可以应用在成像系统上，例如在医学成像、材料科学、空间遥感和军事目标识别。

反射天线是利用平面单元的相移特性来补偿从馈源发出的入射波至等相位面的路径差带来的相位差，从而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可调控的反射阵兼备了反射面天线和相控阵天线的特点。利用反射阵与光栅结合，实现了TE波(电场沿y方向的线极化)反射，而TM波(电场沿x方向的线极化)则透射的特性。

近年来随着科学技术的发展，传统材料已经不能满足科学研究的需要了，人工超材料(metamaterial)由此而得到广泛应用。微结构阵列是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性，人工微结构目前包含频率选择表面结构(FSS)、人工超材料等。随着近代微细加工技术的发展，人工微结构在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、损耗小的反射阵列极化隔离器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，一种太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，在介质基板的底面设置有金属光栅，在介质基板顶面设置有金属贴片阵列，所述辐射金属贴片阵列周期性排布，每个周期单元为一行；各周期单元的结构相同，或者说，各行的结构是相同的，在列的方向呈现为周期性的重复。

金属贴片的形状为带有开口的正方形环，开口设置于正方形环的一个边的中点处，金属贴片的各边皆为正交设置。

进一步的，同一周期单元中至少包括6个金属贴片，沿自一端向另一端的方向，相邻金属贴片TE波相位差为60°。

同一行中，各金属贴片的中心皆位于同一行线；同一列中，各金属贴片的中心皆位于同一列线；行线垂直于列线。

同一周期单元中，各金属贴片的开口方向一致。

本发明的有益效果是:

(1)、实现了对TE波的阻断，并且实现了一个θ角度的反射，而TM波着不受结构影响，能够通过。

(2)、本发明采用二维平面人工微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的相位调控，并且该结构简单可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。

(3)、本发明利用亚波长结构，最终结果实现了在相同带宽条件下，实现了更宽的的角度反射。

(4)、本发明所设计的反射结构，通过改变结构参数，实现单个单元相位的控制，最终实现TE波不同频率不同的反射角度。其中本结构有着结构简单，易于实现的优点，而且有效可变参数多，可以实现高带宽，低误差的优点。

附图说明

图1为单个的基础结构单元结构示意图。

图2为多个单元组合的反射整列示意图。

图3为单元反射相移曲线图。

图4为TE，TM在不同频率的隔离度曲线图。

图5为TE波不同频率的反射角度曲线图。

具体实施方式

本发明主要通过将人工微结构和与光栅相结合，通过对TE进行角度调制，而TM波实现透射，这样就实现了对TE、TM波的实现天线波束的分离。

本发明设计出在特定频点上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用光栅结构做基底，实现对TM波的透过。最终通过对单元单元结构调整，通过控制单元的相位与幅度，使其在远场形成一个固定的θ角度。单元金属为铝，厚度t＝1μm；介质材料为石英,宽度l＝170μm，厚度h＝100μm；底板光栅宽度为a＝5μm，间隔为5μm(透光区域的宽度和不透光区域的宽度皆为5μm)。其中正方形环的边长为l1，金属边宽度为w，开口宽度为d，作为一个实施例，具体尺寸如下：

其中主要通过l1改变相位，通过调节w,d的值使其在频段内拥有更好的相位差，达到更好的反射效果。

本发明的太赫兹波段基于人工超材料亚波长结构的极化隔离器件包括：金属光栅底板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的辐射金属贴片阵列，介质基板为石英；隔离器阵列的每个单元为金属贴片；针对每列单元下使用了光栅底板进行对TM波的通过，而TE波则进行了阻断，最后通过控制每个单元的相位，通过控制x方向每个单元之间的相位差，尽可能的保证每一个单元最后相位结果，在需要的频率范围内都保持相差600的相位差，因为360°是一个周期，刚好6个单元每一个又相差60°，这样就刚好一个周期，这样就达成了相位相干加强了远场辐射强度，其带宽在0.34THz与0.44THz之间。主要设计是利用公式其中θ为反射角度，而Δφ为相邻单元的相位差，λ为波的波长，l为单元宽度。通过上面公式可以看出，在不同频率下λ不同，sinθ也会改变，这样就达到了不同频率下，扫描角度不同的特点。

所述基板为蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅。

金属贴片的材质为Au、Ag、Cu或Al。

实施例：

如图1，最上层金属结构层其材料2可包括，金，银，铝等导体金属材料1石英其材料可替换蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅等绝缘材料，底层光栅3与顶部材料一致即可，方便加工。其中如图所示TE波电场沿y的线极化电磁波，而TM波电场沿x的线极化电磁波。

如图2，在x方向上TE拥有相差60°相位角度的结构单元，其中主要通过金属贴片的边长改变l1，然后调节w,d的值使其在频段内拥有更好的相位差，达到更好的反射效果。图2以透视的方式表示出了介质基板底面的光栅。

图3表示出单个单元利用周期边界得到的相位角度，其中6条对应的是每一个单元的反射相位，在频段0.34THz与0.44THz之间拥有Δφ相差60度的特性。

图4是在周期单元情况下得到的隔离度，可以看出TE波基本都被反射回去，拥有60dB以上的隔离度，而TM波则透射过去了，拥有较好的隔离效果。

图5是单元在不同频率下的不同反射角度，其频率在0.34THz到0.44THz之间，其角度在42度到60度之间，拥有较大角度的反射。

光栅底板可以有效阻挡TE波的通过，再通过最上层结构调制后，可以形成一个θ角度的反射。而后TM波者不受结构调制的影响，并且TM波不受光栅底板调制影响，可以无阻通过。其中光栅的原理是：如果入射波电场与光栅金属条平行，那么电流沿导线自由引导，光栅就表现出类似于金属的反射；如果入射波电场与光栅金属条垂直，电流就不能在每根光栅上移动太远，因此不受影响而直接通过。

Claims (6)

1.一种太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，在介质基板的底面设置有金属光栅，在介质基板顶面设置有金属贴片阵列，所述辐射金属贴片阵列周期性排布，每个周期单元为一行；金属贴片的形状为带有开口的正方形环，开口设置于正方形环的一个边的中点处，金属贴片的各边皆为正交设置；同一行中至少包括6个金属贴片，沿自一端向另一端的方向，相邻金属贴片TE波相位差为60°。

2.如权利要求1所述的太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，同一行中，各金属贴片的中心皆位于同一行线；同一列中，各金属贴片的中心皆位于同一列线；行线垂直于列线。

3.如权利要求1所述的太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，同一周期单元中，各金属贴片的开口方向一致。

4.如权利要求3所述的太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，每个周期单元由6个金属贴片构成，第一个金属贴片的开口方向指向第六个金属贴片；

其中，

第一个金属贴片正方形环的边长为60微米，金属边的宽度为5微米，开口宽度为10微米；

第二个金属贴片正方形环的边长为87微米，金属边的宽度为20微米，开口宽度为60微米；

第三个金属贴片正方形环的边长为96微米，金属边的宽度为20微米，开口宽度为45微米；

第四个金属贴片正方形环的边长为101微米，金属边的宽度为15微米，开口宽度为44微米；

第五个金属贴片正方形环的边长为100微米，金属边的宽度为6微米，开口宽度为40微米；

第六个金属贴片正方形环的边长为100微米，金属边的宽度为6微米，开口宽度为10微米。

5.如权利要求4所述的太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，所述介质基板的材质为蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅，金属贴片的材质为Au、Ag、Cu或Al。

6.如权利要求4所述的太赫兹超材料极化隔离器，其特征在于，贴片单元材质为铝，厚度1μm；介质材料为石英,宽度170μm，厚度100μm；底板光栅宽度为5μm，间隔为5μm。