CN114069249A - 超宽带透射式太赫兹极化转换器 - Google Patents

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Abstract

超宽带透射式太赫兹极化转换器，属于太赫兹波极化转换器领域。本发明包括在同一平面内按正交阵列排布的多个矩形极化转换单元，极化转换单元包括沿z轴方向依次重叠设置的第一金属栅格层、上层介质基板、中间金属结构层、下层介质基板、第二金属栅格层，所述第一金属栅格层和第二金属栅格层均为R个等距排列的矩形金属贴片构成，第一金属栅格层的矩形金属贴片的长边方向为x轴方向或者y轴方向，且垂直于第二金属栅格层的矩形金属贴片的长边方向，R为大于3的整数；中间金属结构层(4)由4个大小形状均完全相同的L型金属贴片组成。本发明可在太赫兹波段实现对电磁波极化的调控。

Description

超宽带透射式太赫兹极化转换器
技术领域
本发明属于太赫兹波极化转换器领域，具体涉及一种超宽带透射式太赫兹极化转换器。
背景技术
太赫兹波是一种仍有极大开发利用空间的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外波段之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在电子信息、生命科学、天文学、成像、通信、医疗、无损检测等领域具有极其重要的潜在利用价值。在这些方面，调节太赫兹波的偏振转换器件是必不可少的。其中，传统的太赫兹偏振转换器是通过向列液晶或聚合物中的双折射实现的，但存在介电常数有限、工作频率有限、尺寸大等缺点。
超表面是由许多相似单元按照设计要求以一定的规则排列并且通过特定的激励获得预期辐射特性的人造材料，由于其天然无法获得的特殊电磁特性而备受关注。通过设计特定的超表面结构和参数，可以有效调控电磁波的相位和幅值，从而调控电磁波极化状态。就目前研究成果来看，对于太赫兹波段的极化转换仍然需要具有更高带宽的高效转换设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种频带宽的、极化转换率高的透射式极化偏振器，具有结构简单、损耗小、便于集成的特点。
本发明解决所述技术问题的采用解决方案是，超宽带透射式太赫兹极化转换器，包括在同一平面内按正交阵列排布的多个矩形极化转换单元(1)，其特征在于：
按照空间三维坐标系，所述极化转换单元包括沿z轴方向依次重叠设置的第一金属栅格层、上层介质基板、中间金属结构层、下层介质基板、第二金属栅格层，所述第一金属栅格层和第二金属栅格层均为R个等距排列的矩形金属贴片构成，第一金属栅格层的矩形金属贴片的长边方向为x轴方向或者y轴方向，且垂直于第二金属栅格层的矩形金属贴片的长边方向，R为大于3的整数；
中间金属结构层由4个大小形状均完全相同的L型金属贴片组成，按极化转换单元的边界和x轴、y轴方向中线分割成的四个象限，每个象限中以正交方式设置有一个L型金属贴片，按照x轴和y轴确定的坐标系，第一象限L型金属贴片和第三象限L型金属贴片的角平分线均按照135°设置，第二象限L型金属贴片和第四象限L型金属贴片的角平分线均按照315°设置。
极化转换单元在xy平面为正方形，第一象限L型金属贴片两端的边缘分别与上边界和竖中线重合，第二象限L型金属贴片两端的边缘分别与横中线和竖中线重合，第三象限L型金属贴片两端的边缘分别与横中线和左边界重合，第四象限L型金属贴片两端的边缘分别与右边界和下边界重合，所述边界为极化转换单元的边界。
矩形极化转换单元按照M×N阵列方式排布，M和N均为大于20的整数。
正方形的边长为100μm；第一金属栅格层和第二金属栅格层的矩形金属贴片宽度均为8μm，间距均为12μm，材料均为铝，厚度均为0.3μm；上层介质基板和下层介质基板的材料均为纯聚酰亚胺，厚度均为25μm，介电常数为3.5，磁导率为1.0，损耗正切角为0.0027；
L型金属贴片两臂张开角度为90°，臂长均为48μm，臂宽均为10.3μm，材料均为铝，厚度均为0.3μm。
本发明具有以下优点：
1.本发明可在太赫兹波段实现对电磁波极化的调控，在超宽的频带内高效地对透射波实现极化转换。
2.本发明中层L型金属片具有极化转换功能，所以将其作为本发明的核心功能材料，可实现强烈的近场耦合特性，最终实现极化的高效偏转。
3.本发明采用二维平面人工微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的极化偏转调控，并且该结构简单，可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。
4.本发明结构简单，只需要设计横纵单元数目，并不需要大量工作去设计单元排布，使得该器件在小型化、实用化与产量化方面具有很大的优势。
附图说明
图1为本发明的超宽带透射式太赫兹极化转换器俯视方向示意图。
图2为极化转换单元排列示意图。
图3为极化转换单元结构三维示意图。
图4为第一金属栅格层的俯视示意图。
图5为中间金属结构层的俯视图。其中a为带有边界的金属结构层示意图，b为带有第一象限L型金属贴片角平分线的金属结构层示意图。
图6为第二金属栅格层的俯视示意图。
图7为在0°入射角情况下的S参数曲线，其中a为透射系数曲线图，b为反射系数曲线图。
图8为在0°入射角情况下的极化转换率曲线。
图9为四个耦合点的表面电流分布图，其中a为0.502THz、b为0.696THz、c为1.194THz、d为1.727THz。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
实施例：
如图1～图6所示，本发明的超宽带透射式太赫兹极化转换器包括在同一平面内周期排布的多个极化转换单元1。极化转换单元1以正交阵列的方式排列在垂直于太赫兹波入射平面上。
极化转换单元从上至下依次为上层平行于y方向的第一金属栅格层2、上层介质基板3、中间金属结构层4、下层介质基板5、下层平行于x方向的第二金属栅格层6；上层的第一金属栅格层2和下层的第二金属栅格层6是由5个大小形状均完全相同的矩形金属贴片7依次等距排列构成；中间金属结构层4由四个大小形状均完全相同的L型金属贴片组成；四个L型金属贴片按边界和中线分割成的四个象限划分，分别是第一象限L型金属贴片8、第二象限L型金属贴片9、第三象限L型金属贴片10、第四象限L型金属贴片11。
参见图1和图2，极化转换单元按M*N阵列方式排布，M、N均为大于20的整数。图2以虚线的方式示出了图1中各极化转换单元的分布。极化转换单元的俯视图为正方形，正方形的边长为100μm。上层平行于y方向的第一金属栅格层和下层平行于x方向的第二金属栅格层的矩形金属贴片宽度均为8μm，间距均为12μm，材料均为铝，厚度均为0.3μm。上层介质基板和下层介质基板的材料均为纯聚酰亚胺，厚度均为25μm，其介电常数为3.5，磁导率为1.0，损耗正切角为0.0027。L型金属贴片两臂张开角度为90°，分别与x轴和y轴平行，臂长均为48μm，臂宽均为10.3μm，材料均为铝，厚度均为0.3μm；
参见图5，中间金属结构层(4)由4个大小形状均完全相同的L型金属贴片组成，按极化转换单元(1)的边界和x轴、y轴方向中线分割成的四个象限，每个象限中以正交方式设置有一个L型金属贴片，按照x轴和y轴确定的坐标系，第一象限L型金属贴片和第三象限L型金属贴片的角平分线均按照135°设置，第二象限L型金属贴片和第四象限L型金属贴片的角平分线均按照315°设置。图5(a)的第一象限中，以虚线示出了第一象限L型金属贴片的角平分线，以直角的顶点向外形成射线，该射线的角度为135°，其他象限的金属贴片同理。
极化转换单元(1)在xy平面为正方形，第一象限L型金属贴片两端的边缘分别与上边界和竖中线重合，第二象限L型金属贴片两端的边缘分别与横中线和竖中线重合，第三象限L型金属贴片两端的边缘分别与横中线和左边界重合，第四象限L型金属贴片两端的边缘分别与右边界和下边界重合，所述边界为极化转换单元(1)的边界。
图7～图8为超宽带透射式太赫兹极化转换器性能仿真结果图，由CST软件模拟得到。
图7是本发明的极化转换器取其最优结构参数的同极化反射系数与交叉极化反射系数曲线图。当入射波为x极化波时，同极化透射系数定义为Txx＝|Ext|/|Exi|。图7(a)中实线和虚线分别对应交叉极化透射系数和同极化透射系数；图7(b)中实线和虚线分别对应交叉极化反射系数和同极化反射系数。从图7(a)可以看出，在0.475～1.801THz频率范围内，同极化透射系数最大值在0.1以内，交叉极化透射系数最小值在0.9以上；从图7(b)可以看出，在上述频率范围内共极化反射系数保持在0.1以内，交叉极化反射系数基本接近于0。这说明在超宽的上述工作频带内，x极化入射波经过该极化转换器后几乎完全被转换成y极化透射波。
图8是本发明的超宽带透射式太赫兹极化转换器的极化转换率(PCR)仿真结果图。其中，极化转换率定义为：PCR＝Tyx 2/(Tyx 2+Txx 2)。从图8可以看出，在工作频带内，其极化转换率最低为99％左右。
图9是本发明的超宽带透射式太赫兹极化转换器的为四个耦合点的表面电流分布图，图9(a)是x极化波入射时第一谐振点频率f＝0.502THz表面电流分布图。图9(b)是x极化波入射时第二谐振点频率f＝0.696THz表面电流分布图，图9(c)是x极化波入射时第三谐振点频率f＝1.194THz表面电流分布图。图9(d)是x极化波入射时第四谐振点频率f＝1.727THz表面电流分布图。

Claims (4)

1.超宽带透射式太赫兹极化转换器，包括在同一平面内按正交阵列排布的多个矩形极化转换单元(1)，其特征在于：
按照空间三维坐标系，所述极化转换单元(1)包括沿z轴方向依次重叠设置的第一金属栅格层(2)、上层介质基板(3)、中间金属结构层(4)、下层介质基板(5)、第二金属栅格层(6)，所述第一金属栅格层(2)和第二金属栅格层(6)均为R个等距排列的矩形金属贴片构成，第一金属栅格层(2)的矩形金属贴片的长边方向为x轴方向或者y轴方向，且垂直于第二金属栅格层(6)的矩形金属贴片的长边方向，R为大于3的整数；
中间金属结构层(4)由4个大小形状均完全相同的L型金属贴片组成，按极化转换单元(1)的边界和x轴、y轴方向中线分割成的四个象限，每个象限中以正交方式设置有一个L型金属贴片，按照x轴和y轴确定的坐标系，第一象限L型金属贴片和第三象限L型金属贴片的角平分线均按照135°设置，第二象限L型金属贴片和第四象限L型金属贴片的角平分线均按照315°设置。
2.如权利要求1所述的超宽带透射式太赫兹极化转换器，其特征在于，极化转换单元(1)在xy平面为正方形，第一象限L型金属贴片两端的边缘分别与上边界和竖中线重合，第二象限L型金属贴片两端的边缘分别与横中线和竖中线重合，第三象限L型金属贴片两端的边缘分别与横中线和左边界重合，第四象限L型金属贴片两端的边缘分别与右边界和下边界重合，所述边界为极化转换单元(1)的边界。
3.如权利要求1所述的超宽带透射式太赫兹极化转换器，其特征在于，矩形极化转换单元(1)按照M×N阵列方式排布，M和N均为大于20的整数。
4.如权利要求2所述的超宽带透射式太赫兹极化转换器，其特征在于，正方形的边长为100μm；第一金属栅格层和第二金属栅格层的矩形金属贴片宽度均为8μm，间距均为12μm，材料均为铝，厚度均为0.3μm；上层介质基板和下层介质基板的材料均为纯聚酰亚胺，厚度均为25μm，介电常数为3.5，磁导率为1.0，损耗正切角为0.0027；
L型金属贴片两臂张开角度为90°，臂长均为48μm，臂宽均为10.3μm，材料均为铝，厚度均为0.3μm。
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