CN108711680A - 太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器 - Google Patents

太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器 Download PDF

Info

Publication number
CN108711680A
CN108711680A CN201810305839.4A CN201810305839A CN108711680A CN 108711680 A CN108711680 A CN 108711680A CN 201810305839 A CN201810305839 A CN 201810305839A CN 108711680 A CN108711680 A CN 108711680A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarization rotation
anode
connecting line
rotation unit
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810305839.4A
Other languages
English (en)
Inventor
兰峰
曾泓鑫
王禄炀
罗峰
杨梓强
史宗君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201810305839.4A priority Critical patent/CN108711680A/zh
Publication of CN108711680A publication Critical patent/CN108711680A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • H01Q15/244—Polarisation converters converting a linear polarised wave into a circular polarised wave

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器，属于超材料以及电磁功能器件领域。本发明包括金属地板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的极化偏转单元，其特征在于，所述极化偏转单元按M*N阵列方式排布，M和N皆为大于2的整数；每一极化偏转单元皆为左右对称结构，其对称轴线皆与阵列的行线成45°夹角，所述极化偏转单元包括两个相对设置的T形阴极和掺杂异质材料区，阴极通过欧姆贴片与掺杂异质材料区连接，两个阴极之间设置有阳极，所述阳极与掺杂异质材料区形成电连接。本发明可实现高速的切换特性，最终实现极化的高速偏转。

Description

太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器
技术领域
本发明涉及一种可调控电磁波偏振转换器，特别涉及一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射式极化偏转器，属于超材料以及电磁功能器件领域。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟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。
电磁波的偏振(极化)状态在成像、天线及各种辐射器件、通信以及电磁隐身技术等方面具有广泛的应用。传统转换电磁波偏振特性的材料或方法主要依赖于材料的本征属性，对电磁波偏振转换不能调控。人工微结构结合相变材料是一种新型亚波长周期性人工结构材料，具有可设计性和可调控性的特点，可以通过改变其相变材料的状态特性，来调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。
国内外研究的透射模式偏振转换器一般为“金属层-介质层-金属层”结构，其工作原理是对入射电磁波的微结构单元进行独立设计，产生局域的电磁耦合共振，入射的电磁波通过设计的超材料后，不同方向上的波矢量产生相位差，从而使透射波的偏振态相对于入射波发生了改变。这种透射模式的偏振转换器可实现线偏振到圆偏振的转换，也可以实现水平线偏振到垂直线偏振的转变，通过在厚度方向上多层金属嵌套实现多频偏振转换或者将平面内不同尺寸金属单元组合排列在一起构成超单元来实现宽多频带偏振转换。透射式的偏振器，一般多层结构，在工艺要求高，转化效率有限，而且不能实现偏振的调控。
近年来随着半导体材料及技术的发展，电控晶体管展现出了卓越的表现，成为了当今微电子产业的核心。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(metamaterial)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。
针对现有技术的缺陷和需求，本发明将电控晶体管与人工微结构巧妙并有效的结合，提出了一种一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射式极化偏转器，其目的在于解决传统材料或器件电磁波偏转换振器不可调控或调控效率低的问题。
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、损耗小的可调控反射式极化偏振器。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器，包括金属地板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的极化偏转单元，其特征在于，
所述极化偏转单元按M*N阵列方式排布，M和N皆为大于2的整数；
每一极化偏转单元皆为左右对称结构，其对称轴线皆与阵列的行线成45°夹角，
所述极化偏转单元包括两个相对设置的T形阴极和掺杂异质材料区，阴极通过欧姆贴片与掺杂异质材料区连接，两个阴极之间设置有阳极，所述阳极与掺杂异质材料区形成电连接。
进一步的，本发明还包括阴极连接线组和阳极连接线组，阴极连接线组中的各阴极连接线和阳极连接线组中的各阳极连接线皆与阵列的列线成45°夹角，
各T形阴极的连接端以正交方式与阴极连接线连接，各阴极连接线皆与外部阴极连接端形成电连接；
各阳极均与阳极连接线连接，并且各阳极连接线皆与外部阳极连接端形成电连接。
本发明的有益效果是：
(1)、晶体管具有快速调制功能，所以将其作为本发明的核心动态功能材料，可实现高速的切换特性，最终实现极化的高速偏转。
(2)、本发明中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极化偏转调控，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)、本发明通过电控来进行工作，而不需要外加光激励、温度激励等其他较为复杂的激励方式，使得该器件在小型化、实用化与产量化方面具有很大的优势。
(4)、本发明所设计的反射结构，通过改变晶体管的外加电压差即可实现电磁波线极化到圆极化，再到线极化的调控。
附图说明
图1为基于晶体管器件的太赫兹反射式极化偏转器阵列示意图。
图2为基于晶体管器件的太赫兹反射式极化偏转器单元正面示意图。
图3为器件极化转换效率图。
图4为频率0.304THz和0.358THz两个谐振点的表面电流分布图。
图5为x方向和y方向的分量Ryx和Ryy的比值和相差关系图。
具体实施方式
本发明将人工微结构与晶体管相结合形成一种反射式极化偏转结构，并通过二维平面排列形成复合阵列反射面，通过控制晶体管的通断改变人工微结构电流分布，实现反射波极化偏转的快速调控。
主要通过将人工微结构和电控晶体管阵列相结合，通过对晶体管结构的电压控制，实现电磁波极化偏振的转换。
本发明的极化偏转单元的结构，在中国专利文献(申请号：201510888334.1发明名称：一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线)有详细说明，与该专利文件中的“单元天线”结构是相同的。
本发明解决所述技术问题采用的设计方案为，设计出在特定频段上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用微电子加工工艺将阵列结构与晶体管相结合，并通过外加电压控制晶体管的通断。最终通过电控改变结构的人工微结构的电流分布来实现单元反射波极化状态的改变。
因而本发明提供了一种太赫兹电控极化转换器，包括：金属地板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的反射极化偏转阵列，其特征在于介质基板为半导体材料；基板上为金属涂层；该金属涂层主要为45°倾斜的两条阴极金属馈线，分别位于该列单元两侧，阴极馈线分别与临近单元的阴极馈线共用，阵列中所有阴极金属馈线连接同一外加阴电极；针对每列极化偏转单元，其中阴极金属馈线之间分别相对伸出一“T”型枝节，每一相对的“T”型枝节的顶部设置于一欧姆贴片上，欧姆贴片设置于介质基板上，在各欧姆贴片上设置通过掺杂的异质材料用以连接相对的“T”型枝节顶部；针对每列单元天线设置一条45°倾斜的阳极金属馈线，该阳极金属馈线穿过该列所有“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料，并且所有阳极金属馈线连接同一外加阳极；通过外加阳电极与外加阴电极之间的电压差来控制“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断调节，从而对入射电磁波进行极化偏转调控。
所述基板为蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅。
所述馈线及单元贴片为Au、Ag、Cu或Al。
欧姆贴片的材料为Ti、Al、Ni或Au。
掺杂异质材料可以为AlGaN/GaN、InGaN/GaN或AlGaAs/GaAs。
所述人工微结构极化偏转反射阵列为多个单元构成的M*N的阵列，其中M>2，N>2。
更具体的实施方式如下：
整体设计方案示意图如图1，包括：
金属底板1，材料为金属铝、银、金等良导体，
半导体基板2，材料为蓝宝石、高阻硅、碳化硅等，
阵列排布的极化偏转单元3，
阳极电极4，
阴极电极5。
其中，金属底板1上设置半导体基板2，半导体基板2上设置极化偏转单元阵列、阳极电极以及阴极电极。
所述反射式极化偏转单元包括晶体管和金属结构，如图2所示。包含两条阴极金属馈线，两条馈线连通该列全部单元并连接同一外加阴电极；针对每列单元，其中阴极金属馈线之间分别相对伸出一“T”型枝节，该“T”型枝节材料为Au、Ag、Cu、Al等，相对的“T”型枝节顶部通过掺杂异质材料连接，并且“T”型枝节位于介质基板上的欧姆贴片上，其中欧姆贴片与掺杂异质材料相连；该欧姆贴片为Ti、Al、Ni或Au，该掺杂异质材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs、AlGaAs/InGaAs/InP等；针对每列单元设置一条阳极金属馈线，该阳极金属馈线穿过该列所有“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料，并且所有阳极金属馈线相连同一外加阳电极。通过外加阳电极与外加阴电极之间的电压差来控制“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断切换，改变器件表面电流分布，实现电磁波束极化转换的调控。
该反射单元是通过改变晶体管的通断来实现对太赫兹反射电磁波极化状态的改变，其通断状态通过外加电压大小予以控制。具体为：当改变结构中与晶体管电极相连的阳电极线(4)和阴电极线(5)所加载电压差时，晶体管将会出现截断或导通状态。当晶体管处于截断状态时，单元结构“T”型枝节之间电流为位移电流，而晶体管导通时，“T”型枝节连通，原先的位移电流消失，现为传导电流，电流模式和分布改变，从而改变结构的磁响应和电响应，最终引起电磁波的极化状态改变。
上述人工微结构结合晶体管的动态可调控反射式极化偏转器单元及其组成的阵列经三维模拟仿真软件证明了其可行性。结果表明，外加电压改变晶体管的截断和导通状态，使得该器件的电流分布发生改变，引起磁响应或电响应从而改变反射波的极化状态。图3表示了阵列极化转换效率图，图中的OFF表示不加电压，此时位于人工电磁媒质下的晶体管处于夹断(原来是导通)状态，ON表示特定电压下，此时的晶体管处于导通(原是夹断)状态；yx和yy表示当y方向极化波入射时，反射波束分别在x方向和y方向的分量。从图中可以看到，当晶体管处于OFF状态时，在0.104THz和0.304THz附近，y方向极化的入射波，基本以x方向极化的形式反射，而在0.165THz和0.358THz附近基本以y方向极化的形式反射；而当晶体管处于ON状态时，在0.104THz和0.304THz附近，y方向极化的入射波，基本以y方向极化的形式反射，而在0.165THz和0.358THz附近基本以x方向极化的形式反射。所以通过控制晶体管的外加电压即可实现四频段的极化状态的动态调控。图5表示的是当y方向极化波入射时，反射波束分别在x方向和y方向的分量Ryx和Ryy的比值和相差关系图。从图中可以看到，当晶体管处于OFF状态时，86GHz和0.29THz和频点处反射波束在y方向和x方向的分量幅值相等，且y方向分量的相位滞后x方向分量90°，所以为右旋极化。而0.1235THz和0.3195THz频点处反射波束在y方向和x方向的分量幅值相等，且y方向分量的相位超前x方向分量90°，所以为左旋极化。当晶体管处于ON状态时，0.156THz和0.3425THz和频点处反射波束在y方向和x方向的分量幅值相1等，且y方向分量的相位滞后x方向分量90°，所以为右旋极化。而0.173THz和0.374THz频点处反射波束在y方向和x方向的分量幅值相等，且y方向分量的相位超前x方向分量90°，所以为左旋极化。所以通过控制晶体管的外加电压即可实现八个频点的圆极化切换。

Claims (2)

1.太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器，包括金属地板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的极化偏转单元，其特征在于，
所述极化偏转单元按M*N阵列方式排布，M和N皆为大于2的整数；
每一极化偏转单元皆为左右对称结构，其对称轴线皆与阵列的行线成45°夹角，
所述极化偏转单元包括两个相对设置的T形阴极和掺杂异质材料区，阴极通过欧姆贴片与掺杂异质材料区连接，两个阴极之间设置有阳极，所述阳极与掺杂异质材料区形成电连接。
2.如权利要求1所述的太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器，其特征在于，
还包括阴极连接线组和阳极连接线组，阴极连接线组中的各阴极连接线和阳极连接线组中的各阳极连接线皆与阵列的列线成45°夹角，
各T形阴极的连接端以正交方式与阴极连接线连接，各阴极连接线皆与外加金属阴电极形成电连接；
各阳极均与阳极连接线连接，并且各阳极连接线皆与外加金属阳电极形成电连接。
CN201810305839.4A 2018-04-08 2018-04-08 太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器 Pending CN108711680A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810305839.4A CN108711680A (zh) 2018-04-08 2018-04-08 太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810305839.4A CN108711680A (zh) 2018-04-08 2018-04-08 太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108711680A true CN108711680A (zh) 2018-10-26

Family

ID=63867094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810305839.4A Pending CN108711680A (zh) 2018-04-08 2018-04-08 太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108711680A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110045306A (zh) * 2019-04-29 2019-07-23 杭州电子科技大学 一种多层拓扑绝缘体的Faraday极化偏转分析方法
CN111403910A (zh) * 2020-03-30 2020-07-10 合肥工业大学 一种太赫兹反射式二维扫描阵列天线
CN117117506A (zh) * 2023-08-07 2023-11-24 南京数捷电子科技有限公司 电控双频段与极化转换双功能智能超表面

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150091771A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Wistron Neweb Corporation Feeding Apparatus and Low Noise Block Down-converter
CN105161858A (zh) * 2015-10-10 2015-12-16 复旦大学 一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法
CN107144985A (zh) * 2017-06-21 2017-09-08 电子科技大学 一种网状错位分布的hemt阵列电控太赫兹波调制器
CN107240781A (zh) * 2017-07-14 2017-10-10 桂林电子科技大学 一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150091771A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Wistron Neweb Corporation Feeding Apparatus and Low Noise Block Down-converter
CN105161858A (zh) * 2015-10-10 2015-12-16 复旦大学 一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法
CN107144985A (zh) * 2017-06-21 2017-09-08 电子科技大学 一种网状错位分布的hemt阵列电控太赫兹波调制器
CN107240781A (zh) * 2017-07-14 2017-10-10 桂林电子科技大学 一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HONGEN SU ET AL: "Terahertz Multi-band reflective polarization converter based on TSRR metamaterial", 《 2016 11TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ANTENNAS, PROPAGATION AND EM THEORY (ISAPE)》 *
乔绅: "新型HEMT太赫兹动态器件的基础研究", 《中国博士学位论文全文数据库》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110045306A (zh) * 2019-04-29 2019-07-23 杭州电子科技大学 一种多层拓扑绝缘体的Faraday极化偏转分析方法
CN110045306B (zh) * 2019-04-29 2021-03-30 杭州电子科技大学 一种多层拓扑绝缘体的Faraday极化偏转分析方法
CN111403910A (zh) * 2020-03-30 2020-07-10 合肥工业大学 一种太赫兹反射式二维扫描阵列天线
CN111403910B (zh) * 2020-03-30 2023-01-10 合肥工业大学 一种太赫兹反射式二维扫描阵列天线
CN117117506A (zh) * 2023-08-07 2023-11-24 南京数捷电子科技有限公司 电控双频段与极化转换双功能智能超表面

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105337033B (zh) 一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线
Kumar et al. Electromagnetic metamaterials: A new paradigm of antenna design
Li et al. Investigation of circularly polarized loop antennas with a parasitic element for bandwidth enhancement
Deo et al. Thickness reduction and performance enhancement of steerable square loop antenna using hybrid high impedance surface
Zhu et al. Linear-to-circular polarization conversion using metasurface
TW567645B (en) An antenna system for communicating simultaneously with a satellite and a terrestrial system
Dong et al. Metamaterial-based antennas
Yang et al. Tunable miniaturized patch antennas with self-biased multilayer magnetic films
CN110444889A (zh) 太赫兹电控谐振切换式超表面相移装置
CN108987903A (zh) 微带串馈线阵圆极化微带天线
CN108711680A (zh) 太赫兹波段动态可调控反射式极化偏转器
CN106571534A (zh) 一种有源频率选择表面结构
Luo et al. Multibeam dual-circularly polarized reflectarray for connected and autonomous vehicles
CN107534221B (zh) 漏波天线
Dong et al. Broadband circularly polarized filtering antennas
CN108429015A (zh) 一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜
CN109728426A (zh) 一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元
CN112164894B (zh) 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面
CN107768839A (zh) 一种太赫兹超材料极化隔离器
Cheng et al. Spoof surface plasmonics: principle, design, and applications
CN116259980A (zh) 太赫兹电控复合谐振可重构智能表面
Chen et al. Microwave Metalens Antennas
CN106450793B (zh) 一种宽带选择性透波极化调控电磁结构
CN110120585A (zh) 圆极化液晶电控扫描反射阵天线
Nakano et al. Antenna system composed of T-shaped elements coupled to an open radial waveguide

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181026