CN110265790B - 一种基于h形结构的宽带太赫兹四分之一波片 - Google Patents

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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
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Abstract

本发明请求保护一种基于H形结构的透射式太赫兹四分之一波片，其太赫兹四分之一波片的基本组成单元是正方形周期单元，该正方形周期单元由两个金属贴片层及其中间的连续介质层构成，金属贴片的形状为H形。本发明提出的结构具有很强的实用性，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，工作效率高，结构简单，作为太赫兹领域的基础功能器件，本发明提出的太赫兹四分之一波片在太赫兹无线通信、太赫兹探测、太赫兹成像等领域具有极大的应用前景。

Description

一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及宽带太赫兹四分之一波片技术。
背景技术
太赫兹(THz)介于微波频段与红外波频段之间，其主要频率范围为0.1～10THz，对应波长范围为0.03～3mm。太赫兹波具有穿透能力强、时域频谱信噪比高、瞬时带宽大和时域脉冲窄等特点，且太赫兹波在大气层外衰减很小，适合于卫星间通信和航天器内部通信等。由于上述种种优点，太赫兹波可被用于新一代通信系统。太赫兹通信被视为第六代或第七代通讯技术的基础。另外，太赫兹波还在探测、成像等领域具有很大的发展潜力，是电磁领域最重要的研究热点之一。
太赫兹四分之一波片是太赫兹通信或传感系统中一种重要的太赫兹无源器件。四分之一波片最早用于光波段，主要功能是将一束线偏振光分解为两束正交、相位相差90°的线偏振光，即一束圆偏振光。将其原理引入太赫兹波段，即可将线极化太赫兹波转化为圆极化波，若入射波为圆极化波，则出射波为线极化波。近年来太赫兹四分之一波片已成为国内外研究的热点。
超材料利用其灵活多变的结构设计可以实现许多传统物质材料无法实现的物理现象，包括负折射率、慢光效应等。超材料还具有可缩放特性，通过尺度缩放可以在不同的频段内实现类似的效应，为太赫兹四分之一波片的研究开辟了新道路。
现有的太赫兹四分之一波片大都存在结构复杂、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太赫兹通信、检测等领域的需求。
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、转换效率高的基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片。本发明的技术方案如下：
一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其包括：若干个呈周期排列的正方形周期单元，该正方形周期单元共有三层，类似三明治结构，由上至下分别是第一金属贴片层(1)、连续介质层(2)、第二金属贴片层(3)。两个金属贴片层即为H形金属贴片。所述H形金属贴片由两条平行金属条和一条连接它们的金属条组成。第一金属贴片层(1)和第二金属贴片层(3)即为H形金属贴片，所述H形金属贴片由一对平行金属条和一个连接它们的金属条组成。第一金属贴片层(1)和第二金属贴片层(3)之间的电谐振与磁谐振实现了太赫兹波的高透射率。
进一步的，所述第一金属贴片层(1)和第二金属贴片层(3)的形状相同，均为H形。
进一步的，所述正方形的周期单元的周期为100μm。
进一步的，所述H形金属贴片的平行金属条对的长度为60～75μm，连接它们的金属条的长度为75～90μm，所有金属条的线宽均为4～6μm。
进一步的，所述第一金属贴片层(1)和第二金属贴片层(3)的材料为金、银、铜中的一种，厚度为50～500nm。
进一步的，所述第一金属贴片层(1)和第二金属贴片层(3)是厚度为0.2μm、电导率为4.561×107S/m的金层。
进一步的，所述连续介质层(2)介电常数为3.0～4.0，损耗正切为0.0027～0.27，其厚度为40～55μm。
进一步的，所述连续介质层(2)的材料为聚酰亚胺、罗杰斯系列、熔融石英中的一种。
进一步的，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太赫兹四分之一波片时，由于透射波并非理想的圆极化波，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。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明提出的H形结构是目前性能最好的透射式太赫兹四分之一波片之一。(2)H形结构是由最简单的短截线结构演化而来，这对于研究四分之一波片的演化与改进具有重要意义。(3)本结构的厚度约为45μm，而其工作带宽约0.26THz，在此带宽内转化效率高于64％。若采用更好的加工工艺，减小器件厚度，其性能会得到进一步提升。仿真表明，在厚度为30μm时，工作带宽可提高到约0.30THz，这已经与反射式THz四分之一波片的性能相当了。由于原理不同，透射式四分之一波片的工作带宽一般仅为反射式的三分之一甚至四分之一，而且效率远低于反射式。(4)本发明提出的H形结构由水平或垂直金属条组成，避免了使用曲线结构在加工时易出现较大的加工误差。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于H形结构的太赫兹四分之一波片基本单元结构三维透视图
图2为基于H形结构的太赫兹四分之一波片金属图案层的正向示意图
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为基于H形结构的太赫兹四分之一波片的工作带宽(即轴比AR≤3dB的带宽)
图6为基于H形结构的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：
本发明提供的一种基于H形结构的太赫兹四分之一波片，其结构如图1和图2所示，由单元结构周期性排列而成。
所述的单元结构为典形的三层结构，依次为金属贴片层1、连续介质层2和金属贴片层3。
所述的金属贴片为H形结构，其由一对平行金属条和一个连接它们的金属条组成。图1中深色处即为金属贴片层，金属贴片层紧贴在连续介质层的表面上，类似三明治结构，矩形立方为介质层。
所述的单元结构为正方形，其周期边长为100μm。
所述的中间介质层，材料为熔融石英，介电常数为3.75，损耗正切为0.0027，其厚度为45μm。
所述的金属贴片层，是厚度为0.2μm，电导率为4.561×107S/m的金层。
所述的金属贴片层，如图2所示，具体尺寸分别为：L1＝70μm,L2＝100μm,L3＝100μm,L4＝80μm。
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 BDA0002047149010000041
入射波经过太赫兹四分之一波片后透射波电场为
Figure BDA0002047149010000042
其中，tox和toy分别为x方向和y方向的透射系数的幅度，
Figure BDA0002047149010000043
和
Figure BDA0002047149010000044
分别为x方向和y方向的透射系数的相位，
Figure BDA0002047149010000045
和
Figure BDA0002047149010000046
为单位方向矢量，相位差
Figure BDA0002047149010000047
由电磁波基本理论可知，当tox＝toy，
Figure BDA0002047149010000048
时，透射的电磁波即为圆极化波(其中n为整数)。
根据上述的tox、toy、
Figure BDA0002047149010000049
即可得到斯托克斯参数，S0＝|tox|2+|toy|2，S1＝|tox|2-|toy|2，
Figure BDA00020471490100000410
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 BDA0002047149010000051
如图3所示，在0.765～1.020THz附近透射系数tox和toy的幅度大小接近。
如图4所示，在0.765～1.020THz附近透射系数tox和toy的相位差
Figure BDA0002047149010000052
大小约为90°或-270°。
如图5所示，设计的基于H形结构的太赫兹四分之一波片在0.765～1.020THz的范围内轴比AR≤3dB。
如图6所示，设计的基于H形结构的太赫兹四分之一波片在0.765～1.020THz的范围内工作效率(即将线极化波转换为圆极化波的效率)≥64％。
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)

1.一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，包括：若干个呈周期排列的正方形周期单元，该正方形周期单元共有三层，类似三明治结构，由上至下分别是第一金属贴片层（1）、连续介质层（2）、第二金属贴片层（3），第一金属贴片层（1）和第二金属贴片层（3）即为H形金属贴片，所述H形金属贴片由一对平行金属条和一个连接它们的金属条组成，第一金属贴片层（1）和第二金属贴片层（3）的一对平行金属条均沿着y轴方向摆放，连接它们的金属条沿着x轴方向摆放，第一金属贴片层（1）和第二金属贴片层（3）之间的电谐振与磁谐振实现了太赫兹波的高透射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述第一金属贴片层（1）和第二金属贴片层（3）的周期与连续介质层（2）的周期均为90~110μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述H形金属片的平行金属条对的长度为60~75μm，连接它们的金属条的长度为75~90μm，金属条的线宽均为4~6μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述第一金属贴片层（1）和第二金属贴片层（3）的材料为金、银、铜中的一种，厚度为50~500nm。
5.根据权利要求4所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述第一金属贴片层（1）和第二金属贴片层（3）是厚度为0.2μm、电导率为4.561×107S/m的金层。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述连续介质层（2）介电常数为3.0~4.0，损耗正切为0.0027~0.27，其厚度为40~55μm。
7.根据权利要求1-5之一所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述连续介质层（2）的材料为聚酰亚胺、罗杰斯系列、熔融石英中的一种。
8.根据权利要求3所述的一种基于H形结构的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，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太赫兹四分之一波片时，由于透射波并非理想的圆极化波，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。
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