CN113782938A - 一种环形偶极共振谐振器 - Google Patents

一种环形偶极共振谐振器 Download PDF

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Abstract

一种环形偶极共振谐振器,涉及一种无线传输中的谐振器，解决了现有谐振器的二氧化钒(VO2)的电导率增加时，使得整体结构的环形偶极共振强度减弱的问题，本发明包括周期排布的多个谐振单元，每个谐振单元包括正方形金属环和4个二氧化钒条形带；正方形金属环的每条边上对称设有两个开口，并将对应边分成三段，每条边上的开口位置相同；4个二氧化钒条形带分布在正方形金属环内，4个二氧化钒条形带的一端分别与正方形金属环4条边的中段垂直连接，4个二氧化钒条形带的另一端的延长线交于一点，该点与正方形金属环4的中心重合。本发明的8个对称开口的存在能够在环形偶极共振频率附近降低电偶极子和磁偶极子共振的影响，避免相互干扰。

Description

一种环形偶极共振谐振器
技术领域
本发明涉及一种无线传输中的谐振器，特别涉及一种环形偶极共振谐振器。
背景技术
环形共振(Toroidal resonance)是电共振(Electric resonance)(包含电偶极子共振、电四极子共振等)和磁共振(Magnetic resonance)(包含磁偶极子共振、磁四极子共振等)之外的第三种电磁谐振形式，于1957年被Zel’dovich提出，并之后被发现于核物理等自然材料中。环形偶极共振(Toroidal dipolar resonance)是环形共振的一种典型形式，由于其具有较高的品质因数(Q值)，在高品质因数传感器中具有广泛的应用前景。但自然材料中环形偶极共振能量过小，往往被强大的电共振或磁共振所掩盖，使得检测难度增加，制约了环形共振现象的应用。
超材料是由亚波长单元所组成的结构，目前已经实现了许多自然界中所未有的奇特现象，如左手介质、隐身斗篷等。
2010年基于开口谐振环的超材料实现了环形偶极共振现象，环形偶极共振的能量得到增强，推动了环形偶极共振应用的研究。
近年来，主动调控环形偶极共振超材料的研究成为热点，通过调整超材料结构尺寸实现电磁性能的调节称为被动调控，而主动调控是指在不改变结构固有尺寸的前提下，通过改变外在因素如电压、光强或温度等实现电磁性能的调节。因此主动调控环形偶极共振超材料的研究对于提高环形偶极共振现象的应用具有重要意义。
二氧化钒(VO2)作为一种代表性的相变材料，在光激发、温度控制或电场的作用下，能够改变其电导率，从而实现由绝缘体相向金属相的转变，因此为主动调控环形偶极共振超材料提供良好的技术方案。当前基于二氧化钒(VO2)的主动调控环形偶极共振超材料的研究仅有以金属结构作为环形偶极共振的谐振单元、二氧化钒(VO2)嵌入到谐振单元外作为介质层作用的设计，当二氧化钒(VO2)的电导率(可在光激发、温度控制或电场的作用下改变)变化时，实现整体结构电磁特性的主动调控。在这种设计方案中，当二氧化钒(VO2)的电导率增加时，由于系统损耗增加使得整体结构的环形偶极共振强度减弱。
发明内容
针对现有谐振器的二氧化钒(VO2)的电导率增加时，使得整体结构的环形偶极共振强度减弱的问题，本发明提供一种兼顾谐振强度和主动调控特性的环形偶极共振谐振器。
本发明的一种环形偶极共振谐振器，包括周期排布的多个谐振单元，每个谐振单元包括正方形金属环和4个二氧化钒条形带；
所述正方形金属环的每条边上对称设有两个开口，将该条边分成三段，每条边上的开口位置相同；
4个二氧化钒条形带分布在所述正方形金属环内，4个二氧化钒条形带的一端分别与正方形金属环4条边的中段垂直连接，4个二氧化钒条形带的另一端的延长线交于一点，该点与正方形金属环4的中心重合。
作为优选，所述正方形金属环为正方形铝环。
作为优选，所述正方形金属环的边长为110μm，二氧化钒条形带的长度为30μm。
作为优选，所述正方形金属环的每个边的中段长度为28μm。
作为优选，所述正方形金属环的每个开口的宽度为2μm。
作为优选，还包括SiO2衬底，每个谐振单元设置在一个SiO2衬底上。
作为优选，SiO2衬底的边长为150μm。
作为优选，正方形金属环、二氧化钒条形带和SiO2衬底的厚度均为10μm。
本发明的有益效果，本发明的8个对称开口的存在能够在环形偶极共振频率附近降低电偶极子和磁偶极子共振的影响，避免相互干扰。该结构如果全部采用常规金属材料构建，则结构不具备主动调控特性(常规金属材料的电导率几乎稳定)；该结构如果全部采用二氧化钒(VO2)构建，则由于二氧化钒(VO2)的损耗相对较大(电导率较金属小)，使得结构谐振强度相比于本设计减小。因此本发明兼顾谐振强度和主动调控特性。同时本发明的环形偶极共振是由金属-二氧化钒所组成的混合谐振器激励产生的，即二氧化钒是谐振器的一部分，而不是介质层，这是区别于已有当前设计。
附图说明
图1为环形偶极共振谐振器的结构示意图；
图2为谐振单元的结构示意图；
图3为谐振器在入射电磁波不同极化角φ时的传输谱；
图4为极化角φ为0°时谐振器的环形偶极共振形成的原理图：(a)为电场图，(b)为电流密度；(c)为磁场；(d)为环形偶极共振形成示意图；
图5为极化角φ为90°时谐振器的环形偶极共振形成原理图：(a)为电场图；(b)为电流密度；(c)磁场；(d)为环形偶极共振形成示意图；
图6为极化角φ为45°时环形偶极共振形成原理图：(a)为磁场图；(b)为环形偶极共振形成示意图；
图7为调节二氧化钒的电导率(σ)时的传输谱；
图4至图6中，
Figure BDA0003263583140000031
表示电流密度，
Figure BDA0003263583140000032
表示环形偶极共振，
Figure BDA0003263583140000033
磁场强度。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的一种环形偶极共振谐振器，为一周期结构，包括周期排布的多个谐振单元，如图1所示。图2为周期中每个谐振单元的结构；每个谐振单元包括正方形金属环和4个二氧化钒条形带；
所述正方形金属环的每条边上对称设有两个开口，将该条边分成三段，每条边上的开口位置相同；
4个二氧化钒条形带分布在所述正方形金属环内，4个二氧化钒条形带的一端分别与正方形金属环4条边的中段垂直连接，4个二氧化钒条形带的另一端的延长线交于一点，该点与正方形金属环4的中心重合。
8个对称开口的存在能够在环形偶极共振频率附近降低电偶极子和磁偶极子共振的影响，避免相互干扰。本实施方式的基于金属-二氧化钒混合超材料的环形偶极共振谐振器，该结构所产生的环形偶极共振现象具有极化无关特性，即入射电磁波的极化方向变化时，环形偶极共振的谐振频率和幅度不变；另外，当二氧化钒(VO2)的电导率增加时(可通过光或温度调控)，环形偶极共振的强度增加，这与已有的金属-二氧化钒(VO2)环形偶极共振超材料的调节特性相反。
为了丰富主动调控环形偶极共振超材料的结构，扩展环形偶极共振的应用领域，本实施方式给出了一个具体实施例：一种基于铝-二氧化钒混合超材料的环形偶极共振谐振器，正方形金属环由铝制成，每个谐振单元设置在一个SiO2衬底上。入射电磁波的极化角度φ为电磁波的电场E方向和-x的夹角，如图2所示：SiO2衬底Px＝Py＝150μm；
正方形金属环的边长L＝110μm，二氧化钒条形带的长度L1＝30μm，所述正方形金属环的每个边的中段长度W1＝28μm，所述正方形金属环的每个开口的宽度g1＝2μm，正方形金属环每条边的宽度W＝10μm，正方形金属环、二氧化钒条形带和SiO2衬底的厚度均为10μm。
当二氧化钒的电导率(σ)为2×105s/m时，本实施例可产生具有极化无关特性的环形偶极共振现象，如图3所示，谐振频率为1.45THz，传输系数为0.08(反映谐振强度)。由于结构具有对称性，所以图3仅显示φ为0-90°。
为了验证传输谱中谐振现象为环形偶极共振，以φ为0°、90°和45°时的场强分布进行说明。已知，环形偶极共振可由头尾排列的磁偶极子产生，而头尾排列的磁偶极子可由平面内的两个反向的闭环极向电流产生。
图4显示入射电磁波极化角φ为0°时，水平方向的二氧化钒条形带近端的相反电场(图4(a))使得Ⅰ、Ⅱ区间与Ⅲ、Ⅳ区间形成了两个反向的闭环极向电流(图4(b))，从而为头尾排列的磁偶极子产生创造了条件(图4(c))，因此形成了方向为x方向的环形偶极共振(T)。图4(d)为环形偶极共振形成示意图。
图5显示入射电磁波极化角φ为90°时，垂直方向的二氧化钒条形带近端的相反电场(图5(a))使得Ⅰ、Ⅳ区间与Ⅱ、Ⅲ区间形成了两个反向的闭环极向电流(图5(b))，从而为头尾排列的磁偶极子产生创造了条件(图5(c))，因此形成了方向为y方向的环形偶极共振(T)。图5(d)为环形偶极共振形成示意图。
图6显示入射电磁波极化角φ为45°时，Ⅱ和Ⅳ区间形成了头尾排列的磁偶极子，从而形成了与-x轴夹角为45°的环形偶极共振(T)(图6(a))。图6(b)为环形偶极共振形成示意图。
以上场分布可进一步说明该环形偶极共振是由铝-二氧化钒所组成的混合谐振器激励产生的，即二氧化钒是谐振器的一部分，而不是介质层，这是区别于已有当前设计。
该铝-二氧化钒混合超材料的环形偶极共振谐振器具有主动调控特性，即可通过光或温度调控二氧化钒的电导率实现环形偶极共振电磁特性的调节。图7显示出，当二氧化钒的电导率(σ)由2×105s/m减小到1000s/m时，环形偶极共振谐振强度降低(传输系数增大)，谐振频率变小，当σ为1000s/m时，环形偶极共振现象消失。谐振强度随二氧化钒的电导率(σ)变化所展示的变化趋势与已有当前金属-二氧化钒环形偶极共振超材料的现象不同(与已有的金属-二氧化钒的环形偶极共振超材料调控趋势相反)。谐振频率的变化可用公式：
Figure BDA0003263583140000051
进行解释,这里,L为谐振结构的等效电感，C为等效电容,R为等效电阻。二氧化钒的电导率(σ)的变化使得谐振结构的R变化，从而实现谐振频率的调控，这一点亦与已有当前金属-二氧化钒环形偶极共振超材料调控原理不同。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种环形偶极共振谐振器，其特征在于，包括周期排布的多个谐振单元，每个谐振单元包括正方形金属环和4个二氧化钒条形带；
所述正方形金属环的每条边上对称设有两个开口，并将对应边分成三段，每条边上的开口位置相同；
4个二氧化钒条形带分布在所述正方形金属环内，4个二氧化钒条形带的一端分别与正方形金属环4条边的中段垂直连接，4个二氧化钒条形带的另一端的延长线交于一点，该点与正方形金属环4的中心重合。
2.根据权利要求1所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，所述正方形金属环为正方形铝环。
3.根据权利要求2所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，所述正方形金属环的边长为110μm，二氧化钒条形带的长度为30μm。
4.根据权利要求3所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，所述正方形金属环的每个边的中段长度为28μm。
5.根据权利要求4所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，所述正方形金属环的每个开口的宽度为2μm。
6.根据权利要求5所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，还包括SiO2衬底，每个谐振单元设置在一个SiO2衬底上。
7.根据权利要求6所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，SiO2衬底的边长为150μm。
8.根据权利要求7所述的环形偶极共振谐振器，其特征在于，正方形金属环、二氧化钒条形带和SiO2衬底的厚度均为10μm。
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