CN111641046A - 一种微波段宽带圆二色性手性吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,包括依次排布的底层金属薄膜、第一损耗介质层、空气层、非对称结构金属薄膜层和第二损耗介质层,底层金属薄膜附着在第一损耗介质层上,非对称结构金属薄膜层包括多块非对称结构金属薄膜,多块非对称结构金属薄膜呈周期性布置在第二损耗介质层上,每块非对称结构金属薄膜以不对称的图案附着在第二损耗介质层上,每块非对称结构金属薄膜上设有第一断口,第一断口处加载有电阻,空气层设置在第一损耗介质层与非对称结构金属薄膜层之间,第一损耗介质层与非对称结构金属薄膜层由空气层分隔。该手性吸波器在微波段具有宽带左旋圆极化波的高效吸收特性、强烈的宽带吸收圆二色性特性以及频率可调谐特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸波器,具体是一种微波段宽带圆二色性手性吸波器。
背景技术
圆二色性定义为左旋圆极化LCP波和右旋圆极化RCP波的差异化吸收,广泛存在于自然界中,如DNA、病毒、蛋白质分子等手性结构,其在生物传感、制药、光电流器件和光催化等领域有着广泛的应用。
传统实现强圆二色性的方法主要基于螺绕环结构及其变形结构,但是这些结构都是复杂的三维立体结构,制作繁琐,不便于系统集成。2014年,Li等人基于双层印刷电路板技术(Journal of Physics D:Applied Physics,47(18):185102,2014),配合金属过孔,在频率8.72GHz处实现了93.2%的左旋波吸收和8.4%的右旋波吸收。2015年英国南安普顿大学的Plum等人(Appl.Phys.Lett.,106(22):775-388,2015),通过调整前置非手性分离环和后置金属镜面两者间的空间间距,在5.65GHz处同样实现了LCP波的高效率吸收,且对RCP表现为强反射,实现了外在手性的圆二色性。2017年浙江大学陈红胜教授(Appl.Phys.Lett.,110:231103,2017)通过引入两种不同本征模的不对称分离环,将LCP波的吸收带宽拓宽至5.1%。
目前基于手性结构的吸波器还面临着如下几个瓶颈:首先,现有吸波器的圆二色性值较小,且带宽窄,在实验测量中很难被检测到,尤其是在生物传感的应用方面;其次,现有手性吸波器大多采用多层堆叠的复杂结构,制作成本大,不便于器件集成,极大地限制了它们的实际应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的不足,提供一种结构简单、制作成本低的微波段宽带圆二色性手性吸波器,其非对称结构金属薄膜上加载有电阻,在微波段具有宽带左旋圆极化波的高效吸收特性、强烈的宽带吸收圆二色性特性以及频率可调谐特性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,包括依次排布的底层金属薄膜、第一损耗介质层、空气层、非对称结构金属薄膜层和第二损耗介质层,所述的底层金属薄膜附着在所述的第一损耗介质层上,所述的非对称结构金属薄膜层包括多块非对称结构金属薄膜,所述的多块非对称结构金属薄膜呈周期性布置在所述的第二损耗介质层上,每块所述的非对称结构金属薄膜以不对称的图案附着在所述的第二损耗介质层上,每块所述的非对称结构金属薄膜上设有第一断口,所述的第一断口处加载有电阻,所述的空气层设置在所述的第一损耗介质层与所述的非对称结构金属薄膜层之间,所述的第一损耗介质层与所述的非对称结构金属薄膜层由所述的空气层分隔。
作为优选,每块所述的非对称结构金属薄膜为不对称的“口”字形图案,该“口”字形图案由依次相连且厚度相同的左竖直段、上横向段、右竖直段和下横向段构成,所述的左竖直段的宽度小于所述的右竖直段的宽度,所述的上横向段、右竖直段和下横向段的宽度相同,所述的第一断口设置在所述的右竖直段的中部,所述的下横向段的左端设有第二断口。
进一步地,该“口”字形图案的顶边边长为11.5~13.5mm、左侧边长为12~14mm、包括所述的第一断口的高度在内的右侧边长为13.1mm,位于所述的第二断口右侧的该“口”字形图案的底边边长为5.3~7.4mm,所述的上横向段、右竖直段和下横向段的宽度均为4.15mm,所述的左竖直段的宽度为3.15mm。
作为优选,所述的底层金属薄膜和所述的非对称结构金属薄膜层的厚度均为0.035~0.2mm,导电率σ均为2.6×107~5.8×107S/m。
作为优选,所述的第一损耗介质层和第二损耗介质层均为F4B介质层,其厚度为2~3mm,相对介电常数ε为2.65、损耗正切值δ为0.001。
作为优选,所述的空气层的厚度为1~2mm。
作为优选,所述的电阻的大小为100~180Ω。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明提出的微波段宽带圆二色性手性吸波器,通过在非对称结构金属薄膜上加载匹配的电阻作为集总电阻,用来耗散圆极化波的电磁能量,从而对左旋圆极化LCP波实现高效吸收,峰值吸收率为92.5%,且实现了强烈的宽带吸收圆二色性特性,其相对带宽为69%,最大值可达91.9%;
(2)本发明提出的微波段宽带圆二色性手性吸波器,引入第一损耗介质层和第二损耗介质层这两层损耗介质层,用于改善阻抗匹配特性,实现更宽的左旋圆极化波吸收带宽和吸收圆二色性带宽;
(3)本发明提出的微波段宽带圆二色性手性吸波器,可通过比例缩放和适当的参数调整进行频率调谐,较完美地移植到其它频段;
(4)与传统结构相比,本发明微波段宽带圆二色性手性吸波器结构简单,制作本发明微波段宽带圆二色性手性吸波器所用材料均为常规材料,易于实现,制作成本低,可简单采用现有PCB加工工艺进行制作。
附图说明
图1为实施例一和实施例二的吸波器的正视图;
图2为移除第二损耗介质层后的实施例一和实施例二中吸波器的正视图;
图3为实施例一和实施例二中单个吸波器单元的左视图;
图4为移除第二损耗介质层后的实施例一和实施例二中单个吸波器单元的正视图;
图5为对应于图4的相关尺寸参数标注示意图;
图6为圆极化波沿+z方向入射时实施例一和实施例二的吸波器的反射率仿真曲线图;
图7为利用反射率计算出的当圆极化波沿+z方向入射时实施例一和实施例二的吸波器的吸收率仿真曲线图;
图8为利用圆极化波吸收率计算出的实施例一和实施例二的吸波器的吸收圆二色性值曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一的微波段宽带圆二色性手性吸波器,如图1~图5所示,包括依次排布的底层金属薄膜1、第一损耗介质层2、空气层3、非对称结构金属薄膜层4和第二损耗介质层5,本实施例中,第一损耗介质层2和第二损耗介质层5均为F4B介质层,底层金属薄膜1附着在第一损耗介质层2上,非对称结构金属薄膜层4包括9块非对称结构金属薄膜40,9块非对称结构金属薄膜40呈周期性布置在第二损耗介质层5上,每块非对称结构金属薄膜40以不对称的图案附着在第二损耗介质层5上,每块非对称结构金属薄膜40上设有第一断口41,第一断口41处加载有电阻6,空气层3设置在第一损耗介质层2与非对称结构金属薄膜层4之间,第一损耗介质层2与非对称结构金属薄膜层4由空气层分隔。
实施例一中,每块非对称结构金属薄膜40为不对称的“口”字形图案,该“口”字形图案由依次相连且厚度相同的左竖直段43、上横向段44、右竖直段45和下横向段46构成,左竖直段43的宽度小于右竖直段45的宽度,上横向段44、右竖直段45和下横向段46的宽度相同,第一断口41设置在右竖直段45的中部,下横向段46的左端设有第二断口42。
实施例一中吸波器总体为正方形,可将该吸波器均匀划分为9个吸波器单元,每个吸波器单元均为正方形,其边长p为17.5mm,p的实际范围可设定为16~20mm。相关尺寸参数如下:底层金属薄膜1和非对称结构金属薄膜层4的厚度d均为0.035mm,导电率σ均为5.8×107S/m;第一损耗介质层2和第二损耗介质层5的厚度t均为2.5mm,相对介电常数ε为2.65、损耗正切值δ为0.001;电阻6的大小为150Ω;空气层3的厚度h为1.5mm;“口”字形图案的顶边边长a为12.5mm、左侧边长b为13.1mm、包括第一断口41的高度在内的右侧边长c为13.1mm,位于第二断口42右侧的该“口”字形图案的底边边长e为6.35mm,上横向段44、右竖直段45和下横向段46的宽度w1均为4.15mm,左竖直段43的宽度w2为3.15mm。
实施例二的微波段宽带圆二色性手性吸波器,与实施例一的结构相同,不同之处仅在于部分尺寸参数取值不同,具体地,在本实施例中,“口”字形图案的顶边边长a为12.0mm、左侧边长b为12.6mm,位于第二断口42右侧的该“口”字形图案的底边边长e为5.85mm、包括第一断口41的高度在内的右侧边长c为11.6mm。
图6给出了当圆极化波沿+z方向入射时实施例一和实施例二的吸波器的反射率仿真曲线图。从图6可以看出,在工作频率范围为4.3~7.9GHz时,实施例一的吸波器的左旋圆极化LCP波的反射率始终低于20%,且拥有最低反射率7.7%;在工作频率范围为1.5~8.13GHz时,实施例一的吸波器的左旋圆极化LCP波的反射率高于80%,且拥有峰值反射率99.5%。
图7给出了利用反射率计算出的圆极化波入射时实施例一和实施例二的吸波器的吸收率仿真曲线图。当圆极化波沿+z方向入射到吸波器时,第一损耗介质层2和第二损耗介质层5将右旋圆极化波的电磁能量几乎全部反射回自由空间,没有与该结构发生相互作用。而另一旋向的圆极化波(左旋)被完美吸收,通过金属的欧姆损耗,配合介质损耗层满足阻抗匹配条件,进一步以热量形式消耗掉左旋圆极化波的电磁能量,再加上底层金属薄膜1对圆极化波的透过率为零,从而实现对圆极化波的高效选择性吸收。从图7可以看出,实施例一的吸波器在4.3~7.9GHz频率范围内对左旋圆极化LCP波实现了宽带高效吸收,吸收率始终大于80%,峰值吸收率为92.5%,且相对带宽为59%;右旋圆极化RCP波在1.5~8.0GHz频率范围内,吸收率始终低于20%,且达到最低吸收率0.59%。
图8给出了利用圆极化波吸收率计算出的实施例一和实施例二的吸波器的吸收圆二色性值曲线图。圆二色性值的大小为左旋圆极化LCP波的吸收率与右旋圆极化RCP波的吸收率的差值,用以表示吸波器对不同旋向的圆极化波的差异化吸收能力强弱,其值越大表示吸波器对圆极化波的差异化吸收能力就越强。从图8可以看出,实施例一的吸波器在4.08~8.38GHz范围内具有宽带吸收圆二色性特性,其圆二色性值始终大于50%,最大的圆二色性值为91.9%,且相对带宽为69%。
Claims (7)
1.一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于包括依次排布的底层金属薄膜、第一损耗介质层、空气层、非对称结构金属薄膜层和第二损耗介质层,所述的底层金属薄膜附着在所述的第一损耗介质层上,所述的非对称结构金属薄膜层包括多块非对称结构金属薄膜,所述的多块非对称结构金属薄膜呈周期性布置在所述的第二损耗介质层上,每块所述的非对称结构金属薄膜以不对称的图案附着在所述的第二损耗介质层上,每块所述的非对称结构金属薄膜上设有第一断口,所述的第一断口处加载有电阻,所述的空气层设置在所述的第一损耗介质层与所述的非对称结构金属薄膜层之间,所述的第一损耗介质层与所述的非对称结构金属薄膜层由所述的空气层分隔。
2.根据权利要求1所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于每块所述的非对称结构金属薄膜为不对称的“口”字形图案,该“口”字形图案由依次相连且厚度相同的左竖直段、上横向段、右竖直段和下横向段构成,所述的左竖直段的宽度小于所述的右竖直段的宽度,所述的上横向段、右竖直段和下横向段的宽度相同,所述的第一断口设置在所述的右竖直段的中部,所述的下横向段的左端设有第二断口。
3.根据权利要求2所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于该“口”字形图案的顶边边长为11.5~13.5mm、左侧边长为12~14mm、包括所述的第一断口的高度在内的右侧边长为13.1mm,位于所述的第二断口右侧的该“口”字形图案的底边边长为5.3~7.4mm,所述的上横向段、右竖直段和下横向段的宽度均为4.15mm,所述的左竖直段的宽度为3.15mm。
4.根据权利要求1所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于所述的底层金属薄膜和所述的非对称结构金属薄膜层的厚度均为0.035~0.2mm,导电率σ均为2.6×107~5.8×107S/m。
5.根据权利要求1所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于所述的第一损耗介质层和第二损耗介质层均为F4B介质层,其厚度为2~3mm,相对介电常数ε为2.65、损耗正切值δ为0.001。
6.根据权利要求1所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于所述的空气层的厚度为1~2mm。
7.根据权利要求1所述的一种微波段宽带圆二色性手性吸波器,其特征在于所述的电阻的大小为100~180Ω。
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