CN110165419B - 一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，由含超导体的多层固态结构组成，所述多层固态等离子体机构由四层截面相同但长度不同的长方体结构相互贴合而成，所述长方体结构由左向右依次为空气层、超导层、聚苯乙烯层及超导基底的顺序排列，所述空气层及超导基底沿其中轴线上均挖有多边形槽，并在空气层中填充材料为电损耗角和介电常数特定的填充材料S，超导基底的填充材料为纯铜；通过控制各层的厚度与填充材料的填充占比，实现了频率在1.604‑15THz相对带宽为161.3％的超宽带单向吸收。

Description

一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器

技术领域

本发明涉及一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，属于微波器件技术、射频系统前端技术和高温超导体等领域。

背景技术

太赫兹波段指的是频率范围在0.1～10THz的电磁波，它处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段，在电磁波谱中占有特殊的位置，其具有光子能量性、高穿透性、光谱分辨本领强、瞬态性等特点，在高速通信、安全检查、医疗诊断等应用学科具有广阔的应用前景。电磁超材料有许多奇异的性质，如负折射、“完美”成像和“隐身衣”等。通过构建周期性或非周期性的亚波长尺度的超材料基本单元结构就能得到物理尺度较小的吸波器结构。当电磁超材料与电磁波发生相互作用时，由于结构单元的尺寸比波长小，对电磁波而言，整个材料是均匀的，此时超材料的主要电磁特性与单元结构有着特性密切相关。

高温超导体YBCO可以看作为一种陶瓷材料，又是一种各向异性材料，在当外界温度接近临界温度(93K)时，表现很强的电磁损耗，在太赫兹波段有一定的吸收效果，而且超导层的厚度很大程度上影响阻抗匹配，可用于设计有用的非互易、或单向功能性器件。

在本发明中，设计了一种特定的排列结构，对空气层和超导基底的挖槽和填充特定材料，通过编程控制的方式实现对每层介质厚度和填充材料的填充占比的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

发明内容

本发明提出了一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，使入射电磁波在90K以0°通过该结构时实现了相对带宽为161.3％的超宽带单向吸收。本发明的优势是采用了较少的电介质材料和较为简单的拓扑结构，通过挖槽并填充材料的方式，实现了对大部分太赫兹波段较好的单向吸收效果，而且体积微小，便于集成。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，使用超材料层与介质层组成的多层结构在一定的温度条件下实现了对大部分太赫兹波段较好的单向吸收。本发明的优势是对磁场的依赖性低，仅采用较少的电介质材料和较为简单的拓扑结构实现对太赫兹波段的单向吸收，通过编程控制方式可实现对每层介质厚度和填充材料的填充占比的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

作为本发明的进一步技术方案，由含高温超导体的多层固态结构组成，所述多层固态等离子体机构由四层侧面相同但厚度不同的长方体结构相互贴合而成,所述长方体结构由左向右依次为空气层、超导层(薄)、聚苯乙烯层、超导基底的顺序排列，并在空气层和超导基底沿其中轴线上均挖有如上图所示的多边形槽，将给定多边形槽中填充特定的电介质。

作为本发明的进一步技术方案，将空气层的顶面中心作为坐标原点，部件j的平面坐标都位于(0,0)，部件j作为由两个长和宽为a高为h2的全等长方体呈θ＝45°取并集部分而成的图形，其中一个长方体的四个顶点平面x-y坐标分别为(a/2,a/2)、(-a/2,a/2)、(a/2,-a/2)、(-a/2,-a/2)，并在部件j的中心处挖去一个直径为2R1高为h2的圆柱体即部件k；同理，部件l可看做两个长和宽为b高为h1的全等长方体呈θ＝45°取并集部分而成的多边体，其中一个长方体的四个顶点平面x-y坐标分别为(b/2,b/2)、(-b/2,b/2)、(b/2,-b/2)、(-b/2,-b/2)；部件m为边长为c高为h1的八棱柱挖去部件l，其中部件j、部件m为填充材料S，其余均为空气介质。

作为本发明的进一步技术方案，空气层的填充材料S的介电常数为13，电损耗角为0.29。

作为本发明的进一步技术方案，将超导基底的顶面中心作为坐标原点，如简要附图3(b)所示，六个小长方体由两个全等小长方体沿顺时针和逆时针各旋转120°，它们的长和宽都为g和h，高都为h3,这两个小长方体的x-y坐标分别为(3.3,8)、(-3.3,8)。外围的空心正六棱柱中心坐标为(0,0)，内外的边长分别为e和f。它们所用的填充材料均为纯铜。

作为本发明的进一步技术方案，当温度为90K,电磁波的入射角度为0°通过该多层结构时，可以产生带宽为13.396THz，相对带宽为161.3％的超宽带单向吸收。

作为本发明的进一步技术方案，通过编程控制的方式可实现对每层介质厚度和填充材料的填充占比的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明设计了简单的拓扑结构，并且仅采用挖槽填充的方式，不需要提供外加磁场，就能产生超宽带的单向吸收。

(2)本发明可以仅通过改变超导层结构的厚度就能达到显著的单向效果。

(3)本发明可以通过编程控制的方式实现对每层介质厚度和填充材料的填充占比的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

(4)本发明可以实现在太赫兹频段单向吸收吸波器的设计，具有通用性，普适性好的特点。

附图说明

图1为基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器的结构示意图；

图2为基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器的单层结构侧视立体图；(a)左视图，(b)右视图；

图3为基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器的单层结构侧视平面图；(a)左视图，(b)右视图；

图4为在TE和TM模式下，温度为90K，入射电磁波以0°入射，可调谐型单向吸收吸波器的吸收率曲线；

图5为在温度为90K的条件下，入射电磁波以60°入射，可调谐型单向吸收吸波器的吸收率曲线。其中(a)TE模式(b)TM模式；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器。如图1和图2所示，四层长方体结构的侧面为边长为d正方形但每层的厚度不同，各层的长和宽都为20μm，厚度分别为d1＝66μm、d2＝0.004μm、d3＝24μm、d4＝0.4μm。将空气层的顶面中心作为坐标原点，附图3(a)中所有局部图的平面坐标都位于(0,0)，局部立体图(j)可看做由两个长和宽为a高为h2的全等长方体呈θ＝45°取并集部分而成的图形，其中一个长方体的四个顶点平面x-y坐标分别为(a/2,a/2)、(-a/2,a/2)、(a/2,-a/2)、(-a/2,-a/2)，在该局部立体图(j)的中心处挖去一个直径为2R1高为h2的圆柱体(见局部立体图(k))。同理，局部立体图(l)可看做两个长和宽为b高为h1的全等长方体呈θ＝45°取并集部分而成的多边体，其中一个长方体的四个顶点平面x-y坐标分别为(b/2,b/2)、(-b/2,b/2)、(b/2,-b/2)、(-b/2,-b/2)。局部立体图(m)为边长为c高为h1的八棱柱挖去如局部立体图(l)中的图形。其中局部立体图(j)，(m)为填充材料S，其余均为空气介质。

将超导基底的顶面中心作为坐标原点，如简要附图3(b)所示，六个小长方体由两个全等小长方体沿顺时针和逆时针各旋转120°，它们的长和宽都为g和h，高都为h3,这两个小长方体的x-y坐标分别为(3.3,8)、(-3.3,8)。外围的空心正六棱柱中心坐标为(0,0)，内外的边长分别为e和f。它们所用的填充材料均为纯铜。

当电磁波通过该结构时，在外界温度接近临界温度时，高温超导体YBCO的复介电常数的虚部很大，导致较强的电磁损耗，又因为超导层结构厚度的不对称性，将会产生非互易现象，在本文表现为入射电磁波的单向吸收，即从前向入射时表现出吸收特性，后向入射时表现出反射特性。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

当温度为90K时，入射电磁波以0°入射到该多层结构时，其吸收率如图4所示，点划线代表的是前向传输的吸收率，由图可知，在频率为1.604～15THz的范围内，前向传输的吸收率基本维持在0.9以上，在1.872THz处产生一个吸收率为0.992的吸收峰。双点划线代表的是后向传输的吸收率，由图可知，在频率为1～15THz的范围内，吸收率的值基本稳定在0.05以下。为了表征单向吸收能力的强弱，我们用前后向吸收率的差值(实线曲线D)大于0.9的频率范围为单向吸收区域。不难看出，单向吸收区域大致与前向传输的吸收区一致，都为1.604～15THz，其相对带宽为161.3％。由此可以得出，本发明设计的多层结构可以实现超宽带的单向吸收。

图5(a)为在TE模式下,入射电磁波以60°入射到该多层结构时的吸收率曲线。点划线代表的是前向传输的吸收率，在1～15THz的波段内，其值随着频率的增加，吸收率大致呈上升趋势，在高频段较为平缓。吸收峰向高频移动，位于2.171THz处，吸收率为0.889；双点划线代表的是后向传输的吸收率，由图可知，在1～15THz的频率内，吸收率都维持在0.03以下，几乎没有单向吸收区。图5(b)在TM模式下,入射电磁波以60°入射到该多层结构时的吸收率曲线。由图可知，前向传输的吸收率大于0.9的范围是1.472THz～15THz，吸收峰同样向高频移动，位于2.978THz处，而后向传输的吸收率在给定的频率范围内都保持在0.06以下，因此单向吸收频率范围与前向传输的吸收区基本一致，其带宽为13.528THz，相对带宽为164.2％。由此可以看出，本发明可能应用于偏振器方面。

由上述的结果可以得出，本发明设计的用高温超导材料组成特定结构序列，通过挖槽和填充材料方式，实现了超宽带单向吸收。且不需要提供外加磁场，只需控制超导层的厚度，就能达到很好的单向效果。并且通过编程控制的方式可实现每层介质厚度和填充材料的填充占比的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，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。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：由含高温超导体YBCO的多层固态结构组成，所述多层固态结构由四层截面相同但长度不同的长方体结构相互贴合而成，所述长方体结构由左向右依次为空气层、超导层、聚苯乙烯层及超导基底的顺序排列，所述空气层及超导基底沿其中轴线上均挖有多边形槽，并在空气层中填充材料为电损耗角和介电常数特定的填充材料S，超导基底的填充材料为纯铜；通过控制各层的厚度与填充材料的填充占比，实现了频率在1.604-15 THz相对带宽为161.3%的超宽带单向吸收。

2.根据权利要求1所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：采用了高温超导体YBCO实现了对太赫兹波段的吸收和单向性能的实现。

3.根据权利要求1所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：各层长方体结构的截面为相同的正方形但各层的厚度不同，各层的长和宽都为20 μm，所述空气层的厚度为d1=66 μm、超导层的厚度为d2=0.004 μm、聚苯乙烯层的厚度为d3=24 μm、超导基底层的厚度为d4=0.4 μm。

4.根据权利要求1所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：所述在空气层和超导基底结构中轴线上所挖掉的多边形槽都具有高度中心对称结构。

5.根据权利要求4所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：所述多边形槽呈六芒星结构，具有旋转对称性。

6.根据权利要求2所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：空气层的填充材料S的介电常数为13，电损耗角为0.29。

7.根据权利要求2所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：将空气层的顶面中心作为坐标原点，部件 j的平面坐标都位于(0, 0)，部件 j作为由两个长和宽为a高为h2的全等长方体呈θ=45°取并集部分而成的图形，其中一个长方体的四个顶点平面x-y坐标分别为（a/2, a/2）、（-a/2, a/2）、（a/2, -a/2）、（-a/2, -a/2），并在部件 j的中心处挖去一个直径为2R1高为h2的圆柱体即部件k；同理，部件l可看做两个长和宽为b高为h1的全等长方体呈θ=45°取并集部分而成的多边体，其中一个长方体的四个顶点平面x-y坐标分别为（b/2, b/2）、（-b/2, b/2）、（b/2, -b/2）、（-b/2, -b/2）；部件m为边长为c高为h1的八棱柱挖去部件l，其中部件j、部件m为填充材料S，其余均为空气介质。

8.根据权利要求2所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：将超导基底的顶面中心作为坐标原点，六个小长方体由两个全等小长方体沿顺时针和逆时针各旋转120°，它们的长和宽都为g和h，高都为h3, 这两个小长方体的x-y坐标分别为（3.3,8）、（-3.3,8）；

外围的空心正六棱柱中心坐标为（0,0），内外的边长分别为e和f；它们所用的填充材料均为纯铜。

9.根据权利要求1所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：当电磁波在温度为90 K入射角度为0°通过该多层结构时，可以产生带宽为13.396THz，相对带宽为161.4%的超宽带单向吸收；且入射电磁波在90 K以高角度即60º及以上时通过该结构时出现明显的偏振现象。

10.根据权利要求1所述的基于高温超导体的可调谐型单向吸收吸波器，其特征在于：通过编程控制的方式可实现对每层介质厚度和填充材料填充的占比的动态调整，达到动态调谐单向吸波频域的目的。

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