CN111381394A - 一种太赫兹调制器 - Google Patents

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杨军
史添
徐俊杰
王鹏
尹治平
邓光晟
陆红波
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Abstract

本发明涉及一种太赫兹调制器，包括：多个相同的调制单元，且所述调制单元以周期性排列；所述调制单元从下到上依次设有下层介质基板、下层谐振单元、液晶层、上层谐振单元和上层介质基板；其中，所述下层谐振单元包括4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，且所述等腰梯形空气隙在所述下层谐振单元上均匀布置；所述上层谐振单元的结构与所述下层谐振单元的结构相同，且所述上层谐振单元的等腰梯形空气隙与所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙对应设置。本发明设置的太赫兹调制器，不仅调制深度大，而且具有较低的插入损耗，能够广泛应用。

Description

一种太赫兹调制器
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种太赫兹调制器。
背景技术
超材料又称超构材料，是一种人为构造的新型结构材料，具有超越传统自然材料的奇异物理特性。超材料的基本思想是利用结构单元的谐振特性，实现对材料等效参数的控制，从而为电磁波的操控提供了全新的技术途径。
作为超材料的重要应用领域之一，超材料调制器正吸引着各国研究者的密切关注。传统的超材料调制器在加工完成后，其谐振频率便已经固定，很难再进行修改。为了实现谐振频率的可调，研究人员引入了石墨烯，二氧化钒，半导体以及液晶等材料。但目前的频率可调超材料调制器仍面临着调制深度小，插入损耗大的问题，从而极大地限制了其的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹调制器，在调制过程中，不仅调制深度大而且插入损耗小。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种太赫兹调制器，包括：多个相同的调制单元，且所述调制单元以周期性排列；所述调制单元从下到上依次设有下层介质基板、下层谐振单元、液晶层、上层谐振单元和上层介质基板；其中，
所述下层谐振单元包括4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，且所述等腰梯形空气隙在所述下层谐振单元上均匀布置；
所述上层谐振单元的结构与所述下层谐振单元的结构相同，且所述上层谐振单元的等腰梯形空气隙与所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙对应设置。
可选的，相邻所述等腰梯形空气隙之间具有一定间距。
可选的，所有所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙的上底边延长线围成第一正方形，所有所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙的下底边延长线围成第二正方形，所述第一正方形的面积小于所述第二正方形的面积；所述第一正方形的中心、所述第二正方形的中心以及所述下层谐振单元的上表面的中心为同一点。
可选的，所述调制单元以阵列形式排列，所述阵列的行和所述阵列的列分别设置31个所述调制单元。
可选的，所述液晶层的四周，以及所述上层介质基板与所述下层介质基板之间均采用环氧树脂进行密封，并在所述液晶层的上表面和所述液晶层的下表面用聚酰亚胺膜进行定向。
可选的，所述液晶层为向列型液晶材料，所述向列型液晶材料的介电常数变化范围为2.547-3.65。
可选的，所述下层谐振单元与所述上层谐振单元均为二维亚波长金属谐振单元。
可选的，所述下层介质基板和所述上层介质基板均为石英材料，所述石英材料的介电常数为3.78，所述石英材料的损耗正切为0.02。
可选的，所述下层介质基板和所述上层介质基板的厚度均为200μm，所述液晶层的厚度为45μm，所述下层谐振单元和所述上层谐振单元的厚度均为0.5μm。
可选的，所述等腰梯形空气隙的上底长为281.72μm，所述等腰梯形空气隙的下底长为321.72μm，所述等腰梯形空气隙的腰长为28.28μm，所述间距为20μm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种太赫兹调制器，包括：多个相同的调制单元，且所述调制单元以周期性排列；所述调制单元设有下层谐振单元和上层谐振单元；其中，所述下层谐振单元包括4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，且所述等腰梯形空气隙在所述下层谐振单元上均匀布置；所述上层谐振单元的结构与所述下层谐振单元的结构相同，且所述上层谐振单元的等腰梯形空气隙与所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙对应设置。本发明中调制器包括多个以周期性排列的调制单元，调制单元均设有上、下层谐振单元，构成了上、下层的电极，同时上、下层谐振单元均设有4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，等腰梯形空气隙在谐振单元上均匀布置，并且对应设置，在较低的驱动电压下，不仅调制深度大，而且具有较低的插入损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的调制单元的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的调制单元的主视图；
图3为本发明实施例提供的下层介质基板上表面的下层谐振单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的在上层谐振单元和下层谐振单元加电改变液晶层介电常数时，垂直入射电磁波调制深度的仿真结果图；
图5为本发明实施例提供的在液晶层介电常数分别为2.547和3.65时，改变上层介质基板厚度和下层介质基板厚度时，垂直入射电磁波调制深度的仿真结果图；
图6为本发明实施例提供的在不同液晶层厚度下，垂直入射电磁波频率为287.76GHz时的调制深度和插入损耗的仿真变化曲线图。
符号说明：
1-上层介质基板，2-下层介质基板，3-液晶层，4-上层谐振单元，5-下层谐振单元。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种太赫兹调制器，在调制过程中，不仅调制深度大而且插入损耗小。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种太赫兹调制器，调制器包括多个相同的调制单元，调制单元以周期性排列。其中，调制单元可以以阵列形式排列，调制单元个数为31*31。图1为本发明实施例提供的调制单元的结构示意图，图2为本发明实施例提供的调制单元的主视图，图3为本发明实施例提供的下层介质基板上表面的下层谐振单元的结构示意图，如图1、图2和图3所示，本发明中调制单元从下到上依次设有下层介质基板2、下层谐振单元5、液晶层3、上层谐振单元4和上层介质基板1。其中，下层谐振单元5包括4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，且等腰梯形空气隙在下层谐振单元5上均匀布置；所有下层谐振单元5的等腰梯形空气隙的上底边延长线围成第一正方形，所有下层谐振单元5的等腰梯形空气隙的下底边延长线围成第二正方形，第一正方形的面积小于第二正方形的面积，第一正方形的中心、第二正方形的中心以及下层谐振单元的上表面的中心为同一点。上层谐振单元4的结构与下层谐振单元5的结构相同，且上层谐振单元4的等腰梯形空气隙与下层谐振单元5的等腰梯形空气隙对应设置。
具体的，在本实施例中，上层介质基板1和下层介质基板2均为长L、宽L以及厚度为Tq的长方体，材料可为介电常数为3.78，损耗正切为0.02的石英材料，其中L可为500μm，Tq可为200μm；液晶层3厚度H1c可为45μm，材料可为介电常数变化范围为2.547-3.65的向列型液晶材料；下层谐振单元5和上层谐振单元4可为二维亚波长金属谐振单元，二维亚波长金属谐振单元厚度为0.5μm，材质可为铜；等腰梯形空气隙的上底边长P1为281.72μm，下底边长P2为321.72μm，腰长R为28.28μm，相邻两等腰梯形空气隙的间距W为20μm。
在本实施例中，液晶层3的四周，上层介质基板1与下层介质基本2之间均采用环氧树脂进行密封，并在液晶层3的上表面和液晶层3的下表面用聚酰亚胺膜进行定向。
本发明中调制器包括多个以周期性排列的调制单元，调制单元均设有上层谐振单元4和下层谐振单元5，构成了上、下两层的电极，同时上层谐振单元4和下层谐振单元5均设有4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，等腰梯形空气隙在上层谐振单元4和下层谐振单元5上均匀布置，并且对应设置。通过在上层谐振单元4和下层谐振单元5上施加偏转电压，在相应的谐振单元覆盖区域下的液晶层3中将会形成偏置电场，在该偏置电场的作用下，改变了覆盖区域下的液晶分子的取向，进而改变了液晶分子的介电常数，实现对入射电磁波的调制。
图4为本发明实施例提供的在上层谐振单元和下层谐振单元加电改变液晶层介电常数时，垂直入射电磁波调制深度的仿真结果图。如图4所示，当液晶层3的介电常数从2.547变化到3.65时，谷值处的频率减小到301.84GHz，此时获得最大调制深度94.96％，相应的插入损耗为1.16dB。
图5为本发明实施例提供的在液晶层介电常数分别为2.547和3.65时，改变上层介质基板厚度和下层介质基板厚度时，垂直入射电磁波调制深度的仿真结果图。如图5所示，在液晶层3介电常数为2.547时，当上层介质基板1和下层介质基板2的厚度增大时，透射率也会随之降低；在液晶层3介电常数为3.65时，随着上层介质基板1和下层介质基板2厚度的增大，除去250GHz至276GHz频段外，透射率均会有所下降。
图6为本发明实施例提供的在不同液晶层厚度下，垂直入射电磁波频率为287.76GHz时的调制深度和插入损耗的仿真变化曲线图。如图6所示，当液晶层3厚度逐渐增大时，插入损耗线性递减，调制深度则先线性递增而后略微下降，液晶层3厚度大约为50μm时，在该频点取得最大调制深度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种太赫兹调制器，其特征在于，包括：多个相同的调制单元，且所述调制单元以周期性排列；所述调制单元从下到上依次设有下层介质基板、下层谐振单元、液晶层、上层谐振单元和上层介质基板；其中，
所述下层谐振单元包括4个尺寸相同的等腰梯形空气隙，且所述等腰梯形空气隙在所述下层谐振单元上均匀布置；
所述上层谐振单元的结构与所述下层谐振单元的结构相同，且所述上层谐振单元的等腰梯形空气隙与所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，相邻所述等腰梯形空气隙之间具有一定间距。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所有所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙的上底边延长线围成第一正方形，所有所述下层谐振单元的等腰梯形空气隙的下底边延长线围成第二正方形，所述第一正方形的面积小于所述第二正方形的面积；所述第一正方形的中心、所述第二正方形的中心以及所述下层谐振单元的上表面的中心为同一点。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述调制单元以阵列形式排列，所述阵列的行和所述阵列的列分别设置31个所述调制单元。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述液晶层的四周，以及所述上层介质基板与所述下层介质基板之间均采用环氧树脂进行密封，并在所述液晶层的上表面和所述液晶层的下表面用聚酰亚胺膜进行定向。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述液晶层为向列型液晶材料，所述向列型液晶材料的介电常数变化范围为2.547-3.65。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述下层谐振单元与所述上层谐振单元均为二维亚波长金属谐振单元。
8.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述下层介质基板和所述上层介质基板均为石英材料，所述石英材料的介电常数为3.78，所述石英材料的损耗正切为0.02。
9.根据权利要求1所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述下层介质基板和所述上层介质基板的厚度均为200μm，所述液晶层的厚度为45μm，所述下层谐振单元和所述上层谐振单元的厚度均为0.5μm。
10.根据权利要求2所述的一种太赫兹调制器，其特征在于，所述等腰梯形空气隙的上底长为281.72μm，所述等腰梯形空气隙的下底长为321.72μm，所述等腰梯形空气隙的腰长为28.28μm，所述间距为20μm。
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