CN114709624A - 一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面 - Google Patents

一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，用于解决现有非对称传输超表面功能单一、对圆极化波的调控效率低的问题，包括自上而下依次排布且互不接触的三层介质基板，所述三块介质基板的上表面分别印制有周期性排布的L型和准C型金属谐振单元，该两个金属贴片的各纵向边的长度不等、横向边相对；所述第一、第二介质基板的下表面分别印制有石墨烯贴片，第三介质基板的下表面印制有石墨烯地板；在石墨烯的费米能级由0eV增大到0.8eV的过程中，该超表面的功能会由对圆极化的非对称传输逐渐转变为完美吸波。本发明利用一种超表面结构可实现圆极化非对称传输和吸波功能的灵活转换，可用于雷达探测及和智能天线罩等无线通信系统。

Description

一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，涉及一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，可用于在太赫兹频段圆极化电磁波的非对称传输和电磁吸收领域。
背景技术
石墨烯超表面因具有高效的极化转换特性，能够使从正反两个方向入射的电磁波产生不同的电磁传输效应，已广泛应用到非对称传输领域。同时，由于圆极化波具有抗干扰强、容易接收的特点，使用超表面对太赫兹圆极化波进行调控的技术具有非常广阔的应用前景。石墨烯超表面的可调谐效应能够将线极化波转换到其交叉极化，实现线极化之间的相互转换，或者实现线-圆极化之间的转换作用，并且已经开始在太赫兹频段的传感，成像和光谱领域中有所应用。
然而，现有技术中多是对线极化波的非对称传输进行调控，对两种不同旋向的圆极化波进行调控很少被涉及，因为实现圆极化的非对称传输相当于调控两种正交的线极化波，使其产生不同的传输效率，实现这种效果对超表面结构的要求更高。例如，申请公布号为CN 111628295 A，名称为“基于多裂缝方环形线性极化非对称性传输的手性超表面”的专利申请，实现了利用简单的图案谐振结构实现在较宽的工作频带内对线极化波进行非对称传输调控作用，但是这一发明不具有可调谐特性，功能单一，仅能应用于线极化波的非对称传输领域。
另一方面，石墨烯固有的吸波特性能够增强石墨烯超表面对电磁能量的传输限制，因为对电磁波的吸收可以用于保护电磁设备免受辐射干扰等用途。例如，申请公布号为CN 110120591 A，名称为“一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器”的专利申请，公开了一种用于实现吸波频率可调的石墨烯超表面，该发明是采用石墨烯和多层介质结合的形式，实现了通过调节石墨烯的费米能级改变吸波频点的功能，但是其仅能应用于吸波领域，不利于多功能的集成，应用场景有限。
由于石墨烯与金属结构的谐振单元之间的相互作用使得混合石墨烯的多功能超表面也有望应用到在当今的电磁调控领域。但现有研究多集中于线极化波的非对称传输或吸波的单一功能，而将圆极化波的非对称传输与吸波双功能融合的超表面并不多见。基于以上考虑，我们提出一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，用于实现对太赫兹频段圆极化波的多功能调控作用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种具有圆极化波非对称传输与单向吸收双功能的超表面，旨在利用一种结构实现圆极化波非对称传输和吸波的两种功能，用于解决现有技术中对太赫兹超表面功能单一且圆极化波非对称传输效率低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有圆极化波非对称传输与单向吸收双功能的超表面，包括自上而下依次排布且互不接触的第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3，第一、第二、第三介质基板的上表面分别印制有周期性排布的N×N个谐振单元4，所述金属谐振单元4采用手性金属结构，包括纵向边、底边相对设置的L型金属贴片、准C型金属贴片，该准C型金属贴片的两个侧边的长度不等；所述第一介质基板1、第二介质基板2的下表面位于金属谐振单元4的正下方位置分别印制有正方形第一石墨烯贴片5、正方形第二石墨烯贴片6，所述第二石墨烯贴片6的边长大于第一石墨烯贴片5的边长，第一石墨烯贴片5和第二石墨烯贴片6的四个顶点设置有放射性石墨烯贴片条带，第三介质基板3的下表面印制有石墨烯地板7，其中N≥2。
上述一种具有圆极化波非对称传输与单向吸收双功能的超表面，所述金属谐振单元4，其中的L型金属贴片的宽度与准C型金属贴片的宽度相等，所述L型金属贴片纵向边的长度与C型金属贴片底边的长度相等，该L型金属贴片横向边的长度与准C型金属贴片的两个侧边的长度不等。
上述一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，所述第一石墨烯贴片5和第二石墨烯贴片6，其四个顶点设置的放射性石墨烯贴片条带，位于与其连接的石墨烯贴片的角对角线的延长线上。
上述一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，所述第一石墨烯贴片5，其中心与第二石墨烯贴片6的中心对齐，且第一石墨烯贴片5与第二石墨烯贴片6的对应边平行。
上述一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，所述第一介质基板1与第二介质基板2之间、第二介质基板2与第三介质基板3之间分别设置有相对介电常数为1的介质板。
上述一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，所述第一石墨烯贴片5、第二石墨烯贴片6和石墨烯地板7的费米能级为0eV时，该超表面对圆极化波具有非对称传输功能，其非对称传输参数为0.8。
上述一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，所述第一石墨烯贴片5、第二石墨烯贴片6和石墨烯地板7的费米能级为0.8eV时，该超表面能够实现单方向吸波功能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明由于第一、第二和第三介质基板的下表面印制的石墨烯贴片，在其费米能级为0eV时，相当于一层极薄的介质，对电磁场的调控几乎没有影响，此时该三块介质基板上表面印制的手性结构的金属谐振单元与各自所在的介质基板相互作用，使垂直入射的不同极化的电磁波在2.65THz处的金属谐振单元上会激励起不同的表面电流模式，能够实现正反两个方向上对圆极化波的非对称传输；在费米能级为0.8eV时，石墨烯贴片的电导率较大，其与金属谐振单元，以及各自所在的介质基板共同作用，能够引起电磁谐振吸波模式，将电磁能量在结构中进行损耗而不能继续传输，且本发明实现了两种功能的灵活转换。
2.由于本发明第一、第二和第三介质基板下表面的石墨烯贴片的尺寸为自上而下依次增大，在第三介质基板的下表面为一整层石墨烯地板的结构，在其费米能级较大时，只允许正向入射的电磁波进入该超表面结构内部，从反向入射的电磁波会被石墨烯地板反射，本发明在费米能级为0.8eV时表现为单方向吸波功能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明谐振单元的结构示意图；
图3是本发明第一、第二石墨烯贴片的结构示意图；
图4是对本发明的超表面单元在非对称传输状态下的传输系数和表面电流仿真结果图；
图5是本发明的超表面单元的非对称传输参数仿真结果图；
图6是本发明的超表面单元在吸波状态下的传输系数和电场仿真结果图；
图7是本发明的超表面单元的吸波率仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括自上而下依次排布且互不接触的第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3，第一、第二、第三介质基板的上表面分别印制有周期性排布的N×N个谐振单元4，所述金属谐振单元4采用手性金属结构，包括纵向边、底边相对设置的L型金属贴片、准C型金属贴片，该准C型金属贴片的两个侧边的长度不等；所述第一介质基板1、第二介质基板2的下表面位于金属谐振单元4的正下方位置分别印制有正方形第一石墨烯贴片5、正方形第二石墨烯贴片6，所述第二石墨烯贴片6的边长大于第一石墨烯贴片5的边长，第一石墨烯贴片5和第二石墨烯贴片6的四个顶点设置有放射性石墨烯贴片条带，第三介质基板3的下表面印制有石墨烯地板7，其中N≥2。
所述谐振单元如图2所示，其中的L型金属贴片的宽度与准C型金属贴片的宽度相等，所述L型金属贴片纵向边的长度与C型金属贴片底边的长度相等，该L型金属贴片横向边的长度与准C型金属贴片的两个侧边的长度不等；采用非对称的手性结构是实现圆极化波非对称传输的关键，利用L型和准C型金属贴片的各纵向边均不相同的特点，可以完全打破超表面结构在传输方向上的对称性，L型金属贴片的横向边与准C型金属贴片的底边相对且长度相等，是为了保证金属谐振单元之间的正常电磁耦合作用，使电磁波在正向和反向的传播效果不同；其中，L型金属贴片采用横向边长L为40μm，纵向边长L1为21μm，宽度w为10μm，厚度t1为0.3μm；准C型金属贴片采用底边长L为40μm，较长的侧边长L2为25μm，较短的侧边长L3为17μm，宽度w为10μm，厚度t1为0.3μm；且L型金属贴片的横向边与准C型金属贴片的底边的距离s为10μm；第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3采用边长p为70μm，厚度t为8μm，介电常数εr为3.9的介质基板。
参照图3，其中图3(a)为正方形第一石墨烯贴片5与其四个顶点设置的放射性石墨烯贴片条带；图3(b)为正方形第二石墨烯贴片6与其四个顶点设置的放射性石墨烯贴片条带。所述第一石墨烯贴片5和第二石墨烯贴片6，其四个顶点设置的放射性石墨烯贴片条带，位于与其连接的石墨烯贴片的角对角线的延长线上；所述第一石墨烯贴片5，其中心与第二石墨烯贴片6的中心对齐，且第一石墨烯贴片5与第二石墨烯贴片6的对应边平行。
该正方形第一石墨烯贴片5采用正方形边长a为20μm，放射性条带宽度w1为5μm的石墨烯贴片；正方形第二石墨烯贴片6采用正方形边长b为50μm，放射性条带宽度w1为5μm的石墨烯贴片；第三介质基板下方有一层石墨烯地板，其边长p为70μm；所述正方形第一介质基板1与第二介质基板2之间、第二介质基板2与第三介质基板之间的两层介质板采用边长p为70μm，厚度d为10μm，介电常数为1的介质基板。第一、第二和第三介质基板下表面的石墨烯贴片的尺寸为自上而下依次增大，在第三层介质基板的下表面为一整层地板的结构，该结构设计能够让石墨烯贴片组成类金字塔形式，让正向入射的电磁波更容易进入超表面单元内部，并在三层介质基板、金属谐振单元和石墨烯贴片的共同作用下，将电磁波限制在超表面单元内部，以达到吸波的目的，而且由于石墨烯地板将反向入射的电磁波反射回去，使本发明呈现出单方向吸波的特性。由于石墨烯的费米能级需要改变化学掺杂浓度或改变外加偏置电压的大小来控制，通过放射性石墨烯条带将每个单元的同层石墨烯连为一个整体，可以较大程度简化外加馈电网络的设计。
本发明中的超表面单元是由自上而下依次排布的金属谐振单元和第一、第二、第三介质基板，以及金属谐振单元正下方的第一、第二石墨烯贴片和石墨烯地板共同组成，本发明的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面是由周期性排布的N×N个超表面单元组成的阵列，其中N≥2。
本发明的工作原理是：利用手性超表面结构打破电磁波传播方向的对称性，当圆极化电磁波正向入射到超表面结构时，在2.65THz处，右旋圆极化(RHCP)波会被反射，左旋圆极化(LHCP)波会被转换为RHCP波后进行透射，用
Figure BDA0003592924040000051
表示；当圆极化电磁波反向入射到超表面结构时，在2.65THz处，LHCP波会被反射，RHCP波会被转换为左旋圆极化后进行透射，用
Figure BDA0003592924040000052
表示(注：
Figure BDA0003592924040000053
代表能量透射率，上标f和b分别代表电磁波沿-z和+z方向入射，下标i和j代表电磁波的极化状态，+和-分别代表RHCP和LHCP波)；圆极化非对称传输参数的定义如下：
Figure BDA0003592924040000061
超表面对圆极化波的AT参数在2.65THz处达到最大值0.8；另外，在介质基板的下表面印制由具有放射状的石墨烯结构，费米能级越低，其对非对称传输的影响越小，放射状的结构可以简化实际应用时的馈电网络设计。当费米能级增大时，该超表面的所有结构共同作用产生电磁谐振吸波模式，将电磁波的能量在结构内部转换为热量而消耗掉。其吸波率的定义如下：
Figure BDA0003592924040000062
其中，Rij代表电磁波的反射率。在费米能级为0.8eV时，在2.6THz～2.8THz频段内其吸波率均在90％以上，在2.65THz处最大吸波效率在95％以上，因为全部的电磁能量均被吸收，在此状态下不存在非对称传输。从而使得该结构能够实现圆极化波的非对称传输和吸波双功能之间可互相转换的特性。
1.仿真条件和内容。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：
仿真1，对本发明的超表面单元在非对称传输状态下的传输系数和表面电流进行仿真，其结果如图4所示；
仿真2，对本发明的超表面单元的非对称传输参数进行仿真，其结果如图5所示；
仿真3，对本发明的超表面单元在吸波状态下的传输系数和电场进行仿真，其结果如图6所示；
仿真4，对本发明的超表面单元的吸波率进行仿真，其结果如图7所示。
2.仿真结果分析：
参照图4，其中，图4(a)是RHCP波沿正向(-z方向)垂直入射到超表面结构时的传输曲线和表面电流分布图；图4(b)是LHCP波沿反向(+z方向)垂直入射到超表面结构时的传输曲线和表面电流分布图；图4(c)是LHCP波沿正向(-z方向)垂直入射到超表面结构时的传输曲线和表面电流分布图；图4(d)是RHCP波沿反向(+z方向)垂直入射到超表面结构时的传输曲线和表面电流分布图。图4中的结果均是在石墨烯的费米能级为0eV时仿真得到的。
如图4(a)所示，RHCP波沿正向(-z方向)垂直入射到超表面结构时，其在2.65THz频率附近的透射率在-10dB以下，在2.4THz～2.63THz和2.68THz～3.0THz频段内，RHCP波会转换为LHCP波进行透射；在2.4THz～3.0THz频段内
Figure BDA0003592924040000071
均小于-10dB，说明RHCP波几乎没有直接透射；图4(a)中右端的表面电流为RHCP波正向入射时激励起的类电偶极子模式(不同层之间的电流同向平行)。图4(b)的原理与图4(a)一致。如图4(c)所示，LHCP波沿正向(-z方向)垂直入射到超表面结构时，其
Figure BDA0003592924040000072
在2.4THz～3.0THz频段内均小于-10dB，
Figure BDA0003592924040000073
接近1，说明RHCP波几乎没有直接透射，几乎所有的能量均为先转换为LHCP波进行透射；图4(c)中右端的表面电流为LHCP波正向入射时激励起的弱散射电流模式，电流能量密度较小。图4(d)的原理与图4(c)一致。
参照图5,其中，图5(a)是本发明对正向垂直入射的电磁波的圆极化非对称传输参数对比图；图5(b)是本发明对反向垂直入射的电磁波的圆极化非对称传输参数对比图。
如图5(a)所示，由
Figure BDA0003592924040000074
可知，该双功能的手性超表面在费米能级为0eV时，对RHCP和LHCP波的AT参数相反，但其绝对值相等；其最大效率0.8均在2.65THz频率处；如图5(b)所示，
Figure BDA0003592924040000075
通过对比图5(a)和(b)，可知正向入射的RHCP波的AT参数与反向入射的LHCP的效果相同，均是在2.65THz频率处达到最大非对称传输效率。
参照图6，其中，图6(a)为石墨烯的费米能级为0.8eV时，圆极化电磁波正向垂直入射到超表面结构得到的传输曲线和电场图；图6(b)为石墨烯的费米能级为0.8eV时，圆极化电磁波反向垂直入射到超表面结构得到的传输曲线和电场图。
如图6(a)所示，当石墨烯的费米能级为0.8eV时，圆极化电磁波正向垂直入射到超表面结构，其S曲线在2.6THz～2.8THz频段内均小于-10dB，而且其电场图显示电场能量主要集中在结构内部，说明在该频段内电磁波能量被吸收并损耗；如图6(a)所示，圆极化波反向入射时的S曲线和电场分布，R--＝R++且接近-2dB，其他S曲线均在-10dB以下，说明大部分的电磁能量被直接反射；图6(b)右端的电场分布呈现出入射波与反射波的电场叠加的现象，进一步验证了其反射特性。
参照图7，其中，图7(a)是石墨烯的费米能级为0.8eV，对正向入射的电磁波的吸波率示意图；图7(b)是石墨烯的费米能级为0.8eV，对反向入射的电磁波的吸波率示意图。
如图7(a)所示，当石墨烯的费米能级为0.8eV时圆极化波正向入射，其吸波率在2.6THz～2.8THz频段内均大于90％，在2.65THz附近，对LHCP波的吸波率高达96％，但对RHCP波的吸波频段较宽；如图7(b)所示，圆极化波正向入射时，在2.6THz～2.8THz频段内其吸收率在30％左右，与图6给出的结果相对应。表明该结构的吸波效率也与方向有关，且非对称传输频点包含在吸波率较高的频段以内，实现了一种超表面结构对圆极化波同时具有非对称传输和完美吸波的双重调控功能。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于：包括自上而下依次排布且互不接触的第一介质基板(1)、第二介质基板(2)和第三介质基板(3)，第一、第二、第三介质基板的上表面分别印制有周期性排布的N×N个谐振单元(4)，所述金属谐振单元(4)采用手性金属结构，包括纵向边、底边相对设置的L型金属贴片、准C型金属贴片，该准C型金属贴片的两个侧边的长度不等；所述第一介质基板(1)、第二介质基板(2)的下表面位于金属谐振单元(4)的正下方位置分别印制有正方形第一石墨烯贴片(5)、正方形第二石墨烯贴片(6)，所述第二石墨烯贴片(6)的边长大于第一石墨烯贴片(5)的边长，第一石墨烯贴片(5)和第二石墨烯贴片(6)的四个顶点设置有放射性石墨烯贴片条带，第三介质基板(3)的下表面印制有石墨烯地板(7)，其中N≥2。
2.根据权利要求1所述的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于，所述金属谐振单元(4)，其中的L型金属贴片的宽度与准C型金属贴片的宽度相等，所述L型金属贴片纵向边的长度与C型金属贴片底边的长度相等，该L型金属贴片横向边的长度与准C型金属贴片的两个侧边的长度不等。
3.根据权利要求1所述的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于，所述第一石墨烯贴片(5)和第二石墨烯贴片(6)，其四个顶点设置的放射性石墨烯贴片条带，位于与其连接的石墨烯贴片的角对角线的延长线上。
4.根据权利要求1所述的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于，所述第一石墨烯贴片(5)，其中心与第二石墨烯贴片(6)的中心对齐，且第一石墨烯贴片(5)与第二石墨烯贴片(6)的对应边平行。
5.根据权利要求1所述的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于，所述第一介质基板(1)与第二介质基板(2)之间、第二介质基板(2)与第三介质基板(3)之间分别设置有相对介电常数为1的介质板。
6.根据权利要求1所述的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于，所述第一石墨烯贴片(5)、第二石墨烯贴片(6)和石墨烯地板(7)的费米能级为0eV时，该超表面对圆极化波具有非对称传输功能，其非对称传输参数为0.8。
7.根据权利要求1所述的一种具有圆极化波非对称传输与单向吸波双功能的超表面，其特征在于，所述第一石墨烯贴片(5)、第二石墨烯贴片(6)和石墨烯地板(7)的费米能级为0.8eV时，该超表面能够实现单方向吸波功能。
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