CN109888505B - 一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于“叉指”型结构的透射式太赫兹四分之一波片，太赫兹四分之一波片的基本组成单元是矩形周期单元，该矩形周期单元由金属图案层、中间介质层、金属图案层构成，两个金属图案层的图案相同，金属图案层由矩形金属环及其内侧交叉放置的四个矩形金属条组成。本发明具有很强的实用性，与同性能太赫兹四分之一波片相比，结构更加简单，加工可行性得到提高。该太赫兹四分之一波片的工作带宽大，转换效率更高，未来在太赫兹无线通信、太赫兹探测、太赫兹成像等领域具有极大的发展潜力。

Description

一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片
技术领域
本发明属于太赫兹四分之一波片技术，具体而言，是一种“叉指”型结构的透射式太赫兹四分之一波片。
背景技术
“太赫兹”(THz)指的是频率在0.1～10THz范围内的电磁波，其介于技术相对成熟的微波频段与红外波频段之间。与微波通信相比，太赫兹通信具有数据传输率高、容量大、波束窄、方向性好、保密性好、抗干扰能力强、具有等离子体穿透能力等优势，且太赫兹天线体积更小，在大气层外衰减很小，适合卫星通信、星地通信、航天器内部通信等。因此太赫兹通信被视为第六代或第七代通讯技术的基础。与微波相比，太赫兹波的频率更高、带宽更大、方向性更好、更易与物质分子发生相互作用，是电磁学的一个重要研究方向。极化是电磁波的基础物理特性之一，其在无线通信、生物成像、光化学反应等方面具有重要研究价值。
太赫兹四分之一波片是一类重要的太赫兹无源器件，它的作用是将入射的线极化太赫兹波分解为两个极化方向垂直、幅度相等、相位相差2nπ±π/2的线极化波，即将线极化波转换为圆极化波，若逆向使用则可将圆极化波转换为线极化波。近年来太赫兹四分之一波片已成为国内外研究的热点和难点。在传统的光学中，通常利用单轴晶体的双折射特性来实现线极化波向圆极化波的转换，但单轴晶体制成的四分之一波片的工作带宽很窄，不能满足实际需求。现有的太赫兹四分之一波片主要有三种：开环谐振型，十字型和曲折线型，其均具有结构复杂、转换效率低、成本高等诸多缺点，因此有必要设计一种结构简单、工作带宽大、转换效率高的太赫兹四分之一波片来满足未来太赫兹通信、成像、监测等领域的需求。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种结构简单、工作带宽大、转换效率高的“叉指”型的透射式太赫兹四分之一波片。本发明的技术方案如下：
一种“叉指”型的透射式太赫兹四分之一波片，其由若干个矩形周期单元呈棋盘状紧密平铺而成，相邻单元并无间隙。该矩形周期单元共有三层，由上至下分别是第一金属图案层、中间介质层、第二金属图案层，第一金属图案层和第二金属图案层两个金属层的图案相同，所述金属层由矩形金属环及矩形环内侧的‘叉指’型结构组成，所述‘叉指’型结构即为四个交叉放置的矩形金属条，其摆放方式类似于微机电系统中的叉指式结构，因此称为‘叉指’型结构。第一金属图案层与第二金属图案层共同实现强电磁谐振，提高器件的透射效率，中间介质层的厚度即为两个金属层的间距，主要功能为阻抗匹配。
进一步的，所述四个交叉放置的矩形金属条，形状大小相同，交叉放置。
进一步的，所述中间介质层的介电常数为2.0～3.0，损耗正切为0.0027～0.27，其厚度为20～40μm。
进一步的，所述中间介质层为聚酰亚胺、罗杰斯系列、双苯并环丁烯中的一种。
进一步的，所述第一金属图案层和第二金属图案层的材料为金、铜、铝中的一种，厚度为50～500nm。
进一步的，所述第一金属图案层和第二金属图案层的矩形金属环外侧的水平方向长度为55～60μm，垂直方向长度为50～55μm。
进一步的，所述四个交叉放置的矩形金属条，其长度均为25～30μm，宽度均为4～8μm，相邻矩形金属条的中心线距离为4～8μm。
进一步的，所述的每个“叉指”型矩形周期单元矩形周期单元结构的水平方向周期长度为70～80μm，垂直方向周期长度为60～70μm。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明与同性能太赫兹四分之一波片相比，结构更加简单，加工可行性得到提高。
2、该太赫兹四分之一波片的工作带宽大，转换效率更高。
本发明结构简单、实施方便、设计巧妙，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。
工作原理：金属图案层的矩形金属环和矩形金属条是关键，两个矩形金属环之间形成偶极子谐振，用于实现高透射率，矩形金属条之间形成电感-电容谐振，用于实现相位突变，两者共同作用实现四分之一波片功能。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例为“叉指”型太赫兹四分之一波片基本组成单元结构的三维示意图
图2为“叉指”型太赫兹四分之一波片基本组成单元结构的正向示意图(深色部分即为金属)
图3为透射波的x分量、y分量的透射系数的幅度
图4为透射波的x分量、y分量的透射系数的相位差
图5为“叉指”型太赫兹四分之一波片的工作带宽(即轴比AR<3dB的带宽)
图6为“叉指”型太赫兹四分之一波片的极化转换效率
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提供的一种“叉指”型太赫兹四分之一波片，其结构如图1和图2所示，由矩形单元结构棋盘状排列而成，相邻单元并无间隙。
所述的单元结构为典型的三层结构，依次为金属图案层1、中间介质层2和金属图案层3，其中两个金属图案层的图案相同；
所述的金属图案层由矩形金属环及其内侧交叉放置的四个矩形金属条组成。
所述的单元结构的x方向周期长度为76μm，y方向周期长度为64μm。
所述的中间介质层，材料为双苯并环丁烯，介电常数为2.45，损耗正切为0.0027，其厚度为30μm。
所述的金属图案层，是厚度为0.2μm，电导率为3.56×107S/m的铝层。
所述的金属图案层，矩形金属环外侧的x方向长度为58μm，y方向长度为52μm，矩形金属环x方向的线宽为6.5μm，y方向的线宽为9.5μm。
所述的金属图案层，矩形金属环内侧有四个矩形金属条，每个矩形金属条长度为26μm，宽度为6.5μm，相邻矩形金属条的中心线相距7.5μm。
入射波的极化方向与+x方向夹角为45°，当其沿-z方向入射到超材料结构时，其入射波的电场表达式为
Figure BDA0001953775050000041
入射波经过太赫兹四分之一波片后透射波电场为
Figure BDA0001953775050000042
其中，tx和ty分别为x方向和y 方向的透射系数的幅度，
Figure BDA0001953775050000043
和
Figure BDA0001953775050000044
分别为x方向和y方向的透射系数的相位，
Figure BDA0001953775050000045
和
Figure BDA0001953775050000046
为单位方向矢量，相位差
Figure BDA0001953775050000047
由电磁波基本理论可知，当tx＝ty，
Figure BDA0001953775050000048
时，透射的电磁波即为圆极化波(其中n为整数)。
根据上述的tx、ty、
Figure BDA0001953775050000049
即可得到斯托克斯参数，S0＝|tx|2+|ty|2，S1＝|tx|2-|ty|2，
Figure BDA00019537750500000410
根据上述的斯托克斯参数即可得到透射波的极化偏转角α＝arctan(S2/S1)/2，透射波的椭圆角β＝arcsin(S3/S0)/2。
根据上述的椭圆角即可得到透射波的轴比AR＝10·lg(tanβ)。
由于透射波并非理想的圆极化波，一般当透射波的轴比AR≤3dB时即视为可用的圆极化波，太赫兹四分之一波片的工作带宽即为轴比AR≤3dB的带宽。
太赫兹四分之一波片的转换效率，即为其将线极化波转换为圆极化波的效率，
Figure BDA0001953775050000051
如图3所示，在0.800～1.000THz的范围内透射系数tx和ty大小接近。
如图4所示，在0.800～1.000THz的范围内透射系数tx和ty的相位差大小约为π/2或3π/2。
如图5所示，“叉指”型太赫兹四分之一波片在0.818～0.973THz的范围内轴比 AR≤3dB。
如图6所示，“叉指”型太赫兹四分之一波片在0.818～0.973THz的范围内工作效率(即将线极化波转换为圆极化波的效率)≥50％。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，由若干个矩形周期单元呈棋盘状紧密平铺而成，相邻单元并无间隙，该矩形周期单元共有三层，由上至下分别是第一金属图案层（1）、中间介质层（2）、第二金属图案层（3），第一金属图案层（1）和第二金属图案层（3）两个金属层的图案相同，所述金属层由矩形金属环及矩形环内侧的‘叉指’型结构组成，所述‘叉指’型结构即为四个交叉放置的矩形金属条，第一金属图案层（1）与第二金属图案层（3）共同实现电磁谐振，提高器件的透射效率，中间介质层（2）的厚度即为两个金属层的间距，中间介质层（2）用于阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述的‘叉指’型结构的四个交叉放置的矩形金属条，形状大小相同，交叉放置。
3.根据权利要求1所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述中间介质层（2）的介电常数为2.0~3.0，损耗正切为0.0027~0.27，其厚度为20~40μm。
4.根据权利要求1所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述中间介质层（2）为聚酰亚胺、罗杰斯系列中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述第一金属图案层（1）和第二金属图案层（3）的材料为金、铜、铝中的一种，厚度为50~500nm。
6.根据权利要求1所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述第一金属图案层（1）和第二金属图案层（3）的矩形金属环外侧的水平方向长度为55~60μm，垂直方向长度为50~55μm。
7.根据权利要求1所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述四个交叉放置的矩形金属条，其长度均为25~30μm，宽度均为4~8μm，相邻矩形金属条的中心线距离为4~8μm。
8.根据权利要求1-7之一所述的一种叉指型的透射式太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述的每个叉指型矩形周期单元结构的水平方向周期长度为70~80μm，垂直方向周期长度为60~70μm。
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