CN111427171A - 基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用 - Google Patents

基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用，器件包括若干以一定规律排布的超材料单元，超材料单元从下至上依次包括底层VO2层、介质隔离层和顶层VO2层，底层VO2层、介质隔离层、顶层VO2层三者中心重合。器件完全由介质材料构成，不包含金属材料，器件可以通过热控或光控实现两种工作模式：透射模式和反射模式间的动态切换。反射模式下，器件对太赫兹波高效反射并分束，相当于一个反射型分束器。透射模式下，器件对太赫兹波高效透射。相较于其他反射型分束器，器件在无需作为分束器工作时，其本身不会改变入射波原本的传输路径和阻碍入射波的进一步传输。器件可用于室内太赫兹通信，以实现扩大通信范围和多端通信等功能。

Description

基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用
技术领域
本发明涉及太赫兹动态波束调控技术领域，具体是一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用。
背景技术
太赫兹波具有的低量子能量、宽频谱资源、良好的穿透性以及高传输速率等特性，使得其在高速通信、雷达和成像等多方面的应用备受国内外研究人员的关注。尤其是太赫兹通信技术被指定用于6G技术应用之后，目前已经成为国际上重要的研究热点。由于太赫兹波处于红外和微波波段之间这样一个特殊的频段，在微波和光学较为成熟的调控器件在太赫兹波段效果有限。近年来，超表面的提出和发展使得操控太赫兹波束有了更为简单和高效的方式。于超表面的太赫兹波束调控主要是通过在界面引入合适的相位梯度从而得到不同数量及角度的反射波束，具体的调控状态可以由传统的相控阵天线理论及广义斯涅尔定律算出。
分束器是可以将入射光束分成多个光束的光学设备，在太赫兹通信技术中可以满足多终端应用和提高通信的覆盖范围。常规的分束器主要是具有功能图层的介电镜或棱镜，其体积大且功能单一，无法很好地满足在太赫兹应用中对调控器件小型化和高性能的需求。同时在太赫兹波段，由于太赫兹波的传播特性，严重的路径损耗和分子吸收损耗导致太赫兹波的通信距离受到限制，这使得室内高速通信成为太赫兹未来6G重要的应用场景之一[参考文献：Ma X,Chen Z,Chen W,Intelligent reflecting surface enhanced indoorterahertz communication systems[J].Nano Communication Networks,2020,24:Art.No.100284.]。众所周知，室内的通信环境较为复杂，这导致具有强方向性和弱衍射性的太赫兹波束很容易被室内的障碍物(例如家具)阻挡，即主要在视距范围内进行传播[参考文献：Federici J,Moeller L,Review of terahertz and subterahertz wirelesscommunications[J].Appl Phys,2010,107(11):Art.No.111101.]。因此，增强室内太赫兹通信的覆盖能力尤为重要。在这种条件下，分束器能够增强室内太赫兹信号的覆盖能力。但目前太赫兹分束器具有以下不足：1)目前分束器均为单模式工作，而且基本为反射型器件，其信号覆盖范围只在器件的一侧，不能实现全空间的信号覆盖。在不需要其工作时往往分束器本身会成为信号进一步传输的障碍，特别是需要在透射方向上进行通信时，此时单模式的器件无法满足相应的通信范围要求。2)目前的超表面结构均使用金属材料作为相位调控单元，因此其器件的可调谐性差，不能根据实际应用实现工作模式切换；同时金属材料带来的损耗也较大，特别是在对透射波的调制上损耗更为严重，这对于太赫兹通信极为不利。
发明内容
本发明针对以上所述的现有太赫兹波束调控器件中的不足，提出了一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，器件包括若干超材料单元，单元从下至上依次包括底层VO2层、介质隔离层和顶层VO2层，底层VO2层、介质隔离层、顶层VO2层都为关于x、y轴对称的轴对称图形且三者中心重合，单元分为两种：第一单元和第二单元，第一单元和第二单元的顶层VO2层面积不同、介质隔离层大小相同，第一单元和第二单元均以n*n的规模组成两个不同的子阵列，记为第一子阵列和第二子阵列，n的范围为4-10，第一子阵列和第二子阵列在整个器件上沿x和y方向相间排列成M*N的阵列排列，M>5，N>5，x为入射波的电场或磁场方向，相应的y为磁场或电场方向，z是入射波来的方向，器件完全由介质材料构成，不包含任何金属材料。
作为优选方式，器件工作模式有两种：反射模式和透射模式，当器件温度高于VO2相变温度时，VO2相变为金属态，器件工作在反射模式，两种单元之间反射相位差在170°-190°，反射率高于0.8；当器件处于常温时，VO2表现为绝缘态，不需要考虑相位和反射率条件。
作为优选方式，介质隔离层为正方形，顶层VO2层和底层VO2层为关于x和y轴对称的图形，且三层材料的中心在xy平面上投影重合。
作为优选方式，底层VO2层和中间的介质隔离层大小相同。
作为优选方式，中间介质隔离层为正方形，边长为50-200μm，厚度为20-500μm，介质隔离层介质选自蓝宝石晶体、高阻硅，石英。
作为优选方式，顶层VO2层的厚度为0.2-2μm，底层VO2厚度为0.2μm-2μm。
作为优选方式，当所述器件温度高于VO2相变温度时，VO2相变为金属态，两种单元之间反射相位差为170°-190°，反射率高于0.8。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器的工作方法，该方法为：该器件通过热控或者光控可以在两种工作状态间切换，在常温下，该器件工作在透射模式，对太赫兹波表现为高透射，当器件温度高于VO2相变温度时，器件工作在反射模式，对太赫兹波起分束器作用，当太赫兹波垂直入射到阵列表面时，太赫兹波被反射成四束能量近似相等但传播方向不同的波束。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器在室内太赫兹通信场景的应用，其包括两种模式：
(1)模式一：在室内太赫兹通信场景中，房间内布设有一个信号源和两个通信终端，并且房间墙壁上贴附带有控制器的超表面器件，在房间内需要进行多个终端同时通信的情况下，通过操控控制器将超表面器件切换到反射模式，太赫兹波束经过超表面器件反射后分成多个波束，并且在信号源与通信终端之间的视距被障碍物阻挡的情况下，通过反射的方式绕开障碍物并与多个终端成功通信；
(2)模式二：在室内太赫兹通信场景中，相邻的第一房间和第二房间的墙壁上贴附带有控制器的超表面器件，并且只有第一房间布设一个信号源而第二房间并没有安装信号源，如果需要第一房间的信号源和第二房间的通信终端进行通信时，通过调整控制器将超表面器件切换到透射模式，在透射工作模式下，所述器件自身不会成为通信的阻碍，第一房间内的信号源发出的太赫兹波束能透过超表面与第二房间的通信终端经过第二房间内的超表面器件反射进行高速通信，而不用部署多个信号源。
本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，采用双层二氧化钒加中间介质隔离层的结构，整个结构完全由介质材料构成，不包含任何金属材料。器件利用VO2的相变特性(即VO2是一种相变材料，当VO2温度高于其相变温度时，VO2处于金属态，VO2温度低于相变温度时，VO2处于绝缘态)，改变该结构的表面电流，进而实现对太赫兹波束的动态双模式调控。通过给予器件一定的热或者光激励，使VO2相变，表现为金属态，此时器件对太赫兹波表现为高反射，并将工作频率范围内的垂直入射波被反射成四束能量近似相等但传播方向不同的波。当不给予足够的热或者光激励，即VO2处于绝缘态时，此时VO2和蓝宝石均对太赫兹波透明，且对透射波调制的损耗很小，也就是说整个器件对太赫兹波呈现高透射的状态。因此在不需要对入射波进行分束或反射的时候，可以通过人为控制，使器件本身不会成为太赫兹波传输的阻碍。值得注意的是，虽然本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其结构在VO2相变后，类似于金属-介质-金属的吸收器结构，但其工作频段避开了谐振点，其反射率高于0.8，保证了器件的吸收率很低。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，器件有两种工作模式，能够对反射波和透射波实现调控，具体而言可以通过热或光来控制VO2的相变状态，即可实现在反射模式和透射模式的两种工作模式间的动态切换。工作在反射模式时，器件对入射波高效反射并分束，相当于一个反射型分束器。工作在透射模式时，器件对入射波高效透射。
2.本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，完全由介质材料构成，不包含任何金属材料，因此在对电磁波进行调控时，损耗更小，可调谐性更高。
3.本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，在无需作为分束器工作时，器件对太赫兹波透明，相较于其他的反射式分束器，不会改变太赫兹波原本的传输路径和阻碍太赫兹波的进一步传输。
4.本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其相位调制结构为二维平面结构，设计简单，避免了高难度的复杂立体结构的设计。
附图说明
图1为太赫兹波垂直入射器件表面时，本发明两种工作模式的示意图；
图2为本发明器件表面的阵列结构图；
图3为本发明超表面的单元结构示意图；
图4为本发明单元反射率仿真结果图；
图5为本发明单元反射相位仿真结果图；
图6为本发明0.7THz的太赫兹波垂直入射超表面时的归一化远场散射图；
图7为本发明器件在0.7THz的太赫兹波垂直入射超表面时方位角为45°下的归一化能量分布图；
图8为器件反射模式下应用场景示意图
图9为器件透射模式下应用场景示意图。
其中，1为顶层VO2层，2为介质隔离层；3为底层VO2层。
具体实施方式
本实施例提供一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，器件包括若干超材料单元，单元从下至上依次包括底层VO2层、介质隔离层和顶层VO2层，底层VO2层、介质隔离层、顶层VO2层都为关于x、y轴对称的轴对称图形且三者中心重合，单元分为两种：第一单元和第二单元，第一单元和第二单元的顶层VO2层面积不同、介质隔离层大小相同，第一单元和第二单元均以n*n的规模组成两个不同的子阵列，记为第一子阵列和第二子阵列，n的范围为4-10，第一子阵列和第二子阵列在整个器件上沿x和y方向相间排列成M*N的阵列排列，M>5，N>5，x为入射波的电场或磁场方向，相应的y为磁场或电场方向，z是入射波来的方向。器件完全由介质材料构成，不包含任何金属材料。
器件工作模式有两种：反射模式和透射模式，当器件温度高于VO2相变温度时，VO2相变为金属态，器件工作在反射模式，两种单元之间反射相位差在170°-190°，反射率高于0.8；当器件处于常温时，VO2表现为绝缘态，不需要考虑相位和反射率条件。
介质隔离层为正方形，顶层VO2层和底层VO2层为关于x和y轴对称的图形，且三层材料的中心在xy平面上投影重合。底层VO2层和中间的介质隔离层大小相同。
中间介质隔离层厚度为30μm，边长为75μm介质隔离层介质选自蓝宝石晶体、高阻硅，石英，介质隔离层介电常数为9.4，损耗正切角为tanδ＝0.0004。顶层VO2层的厚度0.2μm，底层的VO2厚度为2μm。
所述当器件温度高于VO2相变温度，VO2处于金属态时，两种单元之间反射相位差为180°。
第一子阵列和第二子阵列的顶层VO2层分别为边长49μm、18μm的方块，厚度都为0.2μm。
本实施例还提供一种所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器的工作方法：该器件通过热控或者光控可以在两种工作状态间切换，在常温下，该器件工作在透射模式，对太赫兹波表现为高透射，当器件温度高于VO2相变温度时，器件工作在反射模式，对太赫兹波起分束器作用，当太赫兹波垂直入射到阵列表面时，太赫兹波被反射成四束能量近似相等但传播方向不同的波束。
本发明提供的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器的两种工作模式示意图如图1所示，在0.61THz～0.73THz频段，当太赫兹波垂直入射到器件表面时，在温度高于相变温度的情况下，器件工作在反射模式，即对入射波反射成4束能量近似方向不同的波束。当温度低于相变温度时，器件工作在透射模式，即对入射波表现为高透射状态。通过热控或者光控的方式可以动态控制这两种工作模式的切换。
图3所示为本发明的单元结构示意图，单元尺寸为75μm×75μm，底层VO2厚度为1μm，中间介质隔离层为蓝宝石，厚度为30μm，介电常数为9.4，损耗正切为tanδ＝0.0004。两种单元顶层的VO2块厚度均为0.2μm，尺寸分别为49μm×49μm和18μm×18μm。
采用CST 2018仿真软件对实施例的两种单元进行仿真，仿真结果如图4和图5所示，可以看出在0.61THz～0.73THz范围内，两种单元的反射率均高于0.8，且反射率差值不超过0.15，同时，其相位差在170°～190°之间。特别地，在0.7THz上，其反射率差值仅为0.05，相位差为180°，因此，在0.7THz上器件的反射模式可以达到较好的效果。
用CST 2018仿真软件对实施例的器件的反射模式进行仿真，平面波激励为垂直入射的0.7THz平面波，器件的归一化远场散射如图6所示，可以从图6清楚地看出，实施例将入射波反射成四束能量近似相同的波束，方位角分别为45°，135°，225°和315°。而从图7中45°方位角下的归一化能量分布图可以看出这些波束的俯仰角均为41.5°。
本发明的基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器能够协助太赫兹波束绕过障碍物，进而提高室内通信的覆盖能力。值得一提的是，本发明的基于全介质超表面的双模式太赫兹波束调控器件有两种工作模式：反射模式和透射模式，反射模式下的分束可以协助太赫兹波绕开障碍物和实现多端通信，而透射模式能够使器件本身不成为太赫兹波传输的阻碍，从而可以进一步扩展室内太赫兹通信的覆盖范围。下面就两个典型的室内通信场景波束调控器件的两种工作模式进行说明，如图8和图9所示。
基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器在室内太赫兹通信场景的应用，如下：
在图8所示的室内太赫兹通信场景中，在室内太赫兹通信场景中，房间内布设有一个信号源(source)和两个通信终端(terminal)，并且房间墙壁上贴附带有控制器(controller)的超表面器件(metasurface)，在房间内需要进行多个终端同时通信的情况下，通过操控控制器将超表面器件切换到反射模式，太赫兹波束经过超表面器件反射后分成多个波束，并且在信号源与通信终端之间的视距被障碍物(obstacle)阻挡的情况下，通过反射的方式绕开障碍物并与多个终端成功通信；
在图9所示的室内太赫兹通信场景中，相邻的第一房间(room 1)和第二房间(room2)的墙壁上贴附带有控制器的超表面器件，并且只有第一房间布设一个信号源而第二房间并没有安装信号源，如果需要第一房间的信号源和第二房间的通信终端进行通信时，通过调整控制器将超表面器件切换到透射模式，在透射工作模式下，所述器件自身不会成为通信的阻碍，第一房间内的信号源发出的太赫兹波束能透过超表面与第二房间的通信终端经过第二房间内的超表面器件反射进行高速通信，而不用部署多个信号源。
因此，本发明的基于全介质超表面的双模式太赫兹波束调控器件不仅扩展了室内太赫兹通信的覆盖范围，还降低了通信成本，具有广泛的应用前景。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (9)

1.一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：器件包括若干超材料单元，单元从下至上依次包括底层VO2层、介质隔离层和顶层VO2层，底层VO2层、介质隔离层、顶层VO2层都为关于x、y轴对称的轴对称图形且三者中心重合，单元分为两种：第一单元和第二单元，第一单元和第二单元的顶层VO2层面积不同、介质隔离层大小相同，第一单元和第二单元均以n*n的规模组成两个不同的子阵列，记为第一子阵列和第二子阵列，n的范围为4-10，第一子阵列和第二子阵列在整个器件上沿x和y方向相间排列成M*N的阵列排列，M>5，N>5，x为入射波的电场或磁场方向，相应的y为磁场或电场方向，z是入射波来的方向，器件完全由介质材料构成，不包含任何金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：器件工作模式有两种：反射模式和透射模式，当器件温度高于VO2相变温度时，VO2相变为金属态，器件工作在反射模式，两种单元之间反射相位差在170°-190°，反射率高于0.8；当器件处于常温时，VO2表现为绝缘态，不需要考虑相位和反射率条件。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：介质隔离层为正方形，顶层VO2层和底层VO2层为关于x和y轴对称的图形，且三层材料的中心在xy平面上投影重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：底层VO2层和中间的介质隔离层大小相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：中间介质隔离层为正方形，边长为50-200μm，厚度为20-500μm，介质隔离层介质选自蓝宝石晶体、高阻硅，石英。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：顶层VO2层的厚度为0.2-2μm，底层VO2厚度为0.2μm-2μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器，其特征在于：当所述器件温度高于VO2相变温度时，VO2相变为金属态，两种单元之间反射相位差为170°-190°，反射率高于0.8。
8.权利要求1至7任意一项所述的一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器的工作方法，其特征在于：该器件通过热控或者光控可以在两种工作状态间切换，在常温下，该器件工作在透射模式，对太赫兹波表现为高透射，当器件温度高于VO2相变温度时，器件工作在反射模式，对太赫兹波起分束器作用，当太赫兹波垂直入射到阵列表面时，太赫兹波被反射成四束能量近似相等但传播方向不同的波束。
9.权利要求1至7任意一项所述的基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器在室内太赫兹通信场景的应用，其特征在于：
(1)模式一：在室内太赫兹通信场景中，房间内布设有一个信号源和两个通信终端，并且房间墙壁上贴附带有控制器的超表面器件，在房间内需要进行多个终端同时通信的情况下，通过操控控制器将超表面器件切换到反射模式，太赫兹波束经过超表面器件反射后分成多个波束，并且在信号源与通信终端之间的视距被障碍物阻挡的情况下，通过反射的方式绕开障碍物并与多个终端成功通信；
(2)模式二：在室内太赫兹通信场景中，相邻的第一房间和第二房间的墙壁上贴附带有控制器的超表面器件，并且只有第一房间布设一个信号源而第二房间并没有安装信号源，如果需要第一房间的信号源和第二房间的通信终端进行通信时，通过调整控制器将超表面器件切换到透射模式，在透射工作模式下，所述器件自身不会成为通信的阻碍，第一房间内的信号源发出的太赫兹波束能透过超表面与第二房间的通信终端经过第二房间内的超表面器件反射进行高速通信，而不用部署多个信号源。
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