CN116259980A - 太赫兹电控复合谐振可重构智能表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层；所述相移结构层包括以M×N正交阵列方式设置的相移单元，每一列相移单元都有阳极引出线和阴极引出线；所述相移单元包括一个圆环形谐振环和振荡结构。本发明中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相位调控，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；本发明通过电控来进行工作，从而实现相位的动态宽带调控。而不需要外加光激励、温度激励等其他较为复杂的激励方式，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。
Description
技术领域
本发明涉及超材料以及电磁功能器件领域，具体涉及一种太赫兹电控复合谐振可重构智能表面。
背景技术
太赫兹(THz)波通常是指频率范围在0.1THz～10THz内的电磁波，介于毫米波与红外光之间，同时具有微波与红外光的特性，其特点是波束宽度适中，系统带宽较大，十分有利于目标探测成像、高速率大容量通信。在高帧频、高分辨成像雷达和宽带无线通信中有显著优势，发展新一代的波束扫描技术对促进太赫兹新体制雷达和高速无线通信系统应用有重要的意义，正日益受到各国的重视。新型扫描成像技术，不同于传统的合成孔径成像方式，是一种既不依赖目标运动，也不依赖天线平台运动的高帧频、高分辨三维成像新体制，其核心关键技术就是可重构的波束智能表面。智能表面具有波扫描更灵活、抗干扰性能更强等优势。传统超表面一般基于铁氧体材料、正-本征-负二极管、场效应晶体管等开关阵列来实现。铁氧体材料体积大，成本高且不易于集成，而半导体开关的损耗大、线性度差等问题阻碍了超表面在太赫兹波段的应用。人工微结构结合相变材料是一种新型亚波长周期性人工结构材料，具有可设计性和可调控性的特点，可以通过改变其相变材料的状态特性，来调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。
随着近代微细加工技术的发展，人工微结构在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件，但是低频段的加工和太赫兹高频段加工的难度不同，其扩大频段带宽的方式也不同。绝大数普通的单层结构都有着带宽小，幅值效率低的缺点。低频段的结构可以用多层结构堆叠或者加耦合孔的方式来扩大带宽提高幅值效率，但是到了太赫兹频段由于目前加工技术的局限性难以实现打孔和多层结构的加工，所以本发明引入了复合谐振方式使得太赫兹频段类似结构的带宽和效率得到了改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、损耗小的可调控相移阵列。
为了实现以上技术目的，本发明采用的技术方案是：
太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层；
所述相移结构层包括以M×N正交阵列方式设置的相移单元，每一列相移单元都有阳极引出线和阴极引出线；
所述相移单元包括一个圆环形谐振环和谐振结构；
所述谐振环左右对称，并在圆环与对称轴的上下交汇处各设置有一个开口，形成彼此独立的左右两个半环；
所述谐振结构设置于圆环形谐振环的中央，谐振结构包括以左右对称方式分别设置于谐振环对称轴两侧的两个金属片，金属片的长边与对称轴平行，金属片通过金属连接条与本侧半环连接；两个金属片之间设置有掺杂异质线，掺杂异质线沿谐振环对称轴设置且与两个金属片等距，掺杂异质线与介质基板之间为欧姆贴片；
同一列中，各相移单元的掺杂异质线通过该列的阳极引出线连接并引出至阳极连接端，左侧半环通过一条阴极引出线连接至阴极连接端，右侧半环通过另一条阴极引出线连接至阴极连接端。
进一步地，所述金属底板的金属包括铝﹑银、金中的一种或多种。
进一步地，所述介质基板的材质包括蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs、碳化硅中的一种或多种。
进一步地，所述M、N皆为大于2的整数。
进一步地，所述圆环形谐振环的圆心位于金属连接条的轴线上。
进一步地，所述金属片与金属连接条的连接点位于金属片的长边中点，金属连接条的轴线垂直于谐振环对称轴。
进一步地，所述金属片的形状为长方形。
进一步地，掺杂异质线的材料包括AlGaN、GaN、InGaN、GaN、AlGaAs、GaAs中的一种或多种。
进一步地，所述欧姆贴片的材料包括Ti、Al、Ni、Au中的一种或多种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的晶体管具有快速调制功能，所以将其作为本发明的核心动态功能材料，可实现高速的相移特性。
(2)本发明通过调节谐振圆环的大小以及HEMT二维电子气浓度，来改变整个结构的等效电路，相比两边都加圆环的结构在中间嵌入了偶极子引入了偶极子谐振，这种耦合作用使得原本独立的两种谐振模式有机结合在一起成为一种新的混合谐振模式，混合谐振模式实现了类圆环偶极子谐振和偶极子谐振的耦合增强。利用偶极子与圆环的耦合谐振使该结构有更好的幅值一致性，同时相移带宽范围扩大至27GHz，进一步提高器件的集成度以及阵列的控制精度。
(3)本发明中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相位调控，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)本发明通过电控来进行工作，从而实现相位的动态宽带调控。而不需要外加光激励、温度激励等其他较为复杂的激励方式，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为本发明的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面结构示意图；
图2为相移单元结构示意图，其中(a)为侧视方向示意图，(b)为俯视方向示意图；
图3为在ON和OFF状态下单元结构的幅值特性曲线图；
图4为在ON和OFF状态下单元结构的相移曲线图；
图5为在理想ON和OFF状态下单元结构的电流电场图；
图6为可重构智能表面的波束扫描示意图。
具体实施方式
本发明将人工微结构与晶体管相结合形成一种太赫兹电控复合谐振超表面相移阵列，并通过二维平面排列形成复合阵列反射面，通过控制晶体管的通断改变谐振模式，实现对X极化方向的太赫兹波的大相位控制能力。工作方式是准光，同时移相的180°频段范围内可以进一步实现1bit列控编码的波束扫描和波束赋形。
本发明提供了在特定频段上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用微电子加工工艺将阵列结构与晶体管相结合，并通过外加电压控制晶体管的通断，最终通过电控改变结构的人工微结构的谐振模式实现对太赫兹波的大相位控制能力。
参见图1、图2，本发明的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面包括：金属底板、位于金属底板上的介质基板、位于介质基板上的相移阵列(相移结构层)，所述介质基板为半导体材料；以金属涂层的方式在基板上表面设置相移结构层；针对每列单元天线设置一条垂直的负极金属馈线(阴极引出线)，阵列中所有负极金属馈线连接同一外加负电极；欧姆贴片设置于介质基板上，在各欧姆贴片上设置掺杂异质线；针对每列单元天线设置一条垂直的阳极引出线(正极馈线)，位于单元右侧，阳极引出线与该列的掺杂异质材料连接，并且每列正极馈线外接正极，可单列独立控制。通过外加正电极与外加负电极之间的电压差来控制掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断调节，从而对入射电磁波进行相位调节。
所述基板为蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅。
所述馈线及单元贴片为Au、Ag、Cu或Al。
欧姆贴片的材料为Ti、Al、Ni或Au。
掺杂异质材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN或AlGaAs/GaAs。
所述人工微结构极化偏转反射阵列为多个单元构成的MN的阵列，其中M>2，N>2。
实施例：
本实施例包括：
金属底板，材料为金属铝﹑银、金等良导体；
半导体基板，材料为蓝宝石、高阻硅、碳化硅等；
设置于半导体基板上的M×N正交阵列方式排布的相移单元。
参见图2，相移单元包括带有两个开口的谐振圆环3和偶极子震荡结构4，偶极子震荡结构4设置于谐振环的开口处，谐振环的的两个端点各自与一个长方形金属条连接，连接点位于长方形金属条的长边的中心，长方形金属条长边垂直于开口所在的谐振环的边；在开口处的两个长方形金属条之间，介质基板的上表面设置有欧姆贴片，在欧姆贴片上方设置有掺杂异质线，掺杂异质线与两个长方形金属条平行且等距。
各列中，相移单元的掺杂异质线连接至该列的阳极引出线，开口谐振环连接至该列的阴极引出线(图2中的1、2所示为阴极引出线，自圆环中央引出的为阳极引出线)；
各阴极引出线皆与同一根阴极总线连接，阴极总线具有一个外部阴极连接端；各阳极引出线彼此独立。
欧姆贴片的材质为Ti、Al、Ni或Au，掺杂异质线的材质为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs、AlGaAs/InGaAs/InP等。
阳极引出线相连不同的外加正电极，通过外加正电极与外加负电极之间的电压差来控制掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断切换，进而对电磁波束进行相位调控。
本发明通过改变晶体管的通断来实现对太赫兹反射电磁波的相位调控，其通断状态通过外加电压大小予以控制。具体为：当改变结构中与晶体管电极相连的正电极线和负电极线所加载电压差时，晶体管将会出现截断或导通状态。
仿真结果表明，外加电压改变晶体管的截断和导通状态，实现了对太赫兹波束的相位调控。图3表示了单元的幅值特性，在ON和OFF两种状态下，单元结构的插入损耗小，该动态可调节阵列可实现相位的高效率调制。图4表示了相移单元在特定电压下的相移特性，图中OFF表示在特定电压时，位于人工电磁媒质下的晶体管处于夹断状态，ON表示在不加电压时，晶体管处于导通状态。可见单元结构反射相位随晶体管状态产生较为明显的变化，在0.325THz-0.352THz时，处于ON和OFF的单元存在180°±20°的相位差，且单元相位带宽变化约为27GHz，可调节范围较大。图5为相移单元的处于理想通和断的时候的电场电流图，主要是由谐振环与嵌入的偶极子长短切换的耦合谐振来控制结构的相移，该图说明了相移结构的移相机理。表1为波束扫描的编码序列。图6为32×32的RIS阵列在13.1°～81°的波束仿真扫描图，表明了该结构组成阵列可以在单个极化方向连续的波束扫描。
表1
注：Nx表示相邻的同相单元间隔的数量。
本发明基于HEMT晶体管-超表面圆环偶极子结构不同于Zhang,Y.,et al."Largephase modulation of THz wave via an enhanced resonant active HEMTmetasurface."Nanophotonics 8.1(2018)一文采用的环加载双HEMT结构。本发明的结构将开口环两端的HEMT晶体管去掉，在圆环水平对称处的偶极子中心引入一个二维电子气区域更大的HEMT晶体管。二者相移机制完全不同，本发明相移产生于类圆环偶极子与长短偶极子耦合谐振切换，相较于谐振环加载双HEMT结构的偶极子和圆环LC谐振切换，开关状态区分度更大、谐振强度更大、阻抗匹配更好。通过增大二维电子气栅控区域和优化匹配人工微结构，本发明有效提高了带宽和降低了损耗，平均幅值提高了11.5dB，27GHz大带宽内实现180°平均相移，而谐振环加载双HEMT结构最大相移只有153°。该结构工作方式是准光，同时移相的180°频段范围内可以进一步实现1bit列控编码的波束扫描和波束赋形，采用外部电控手段控制复合超表面微结构阵列的电子气特性和谐振模式对太赫兹波进行相位调控，是目前国际该方向最前沿的研究之一，也是实现先进扫描技术的全新途径。
Claims (9)
1.太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层；
所述相移结构层包括以M×N正交阵列方式设置的相移单元，每一列相移单元都有阳极引出线和阴极引出线；
所述相移单元包括一个圆环形谐振环和谐振结构；
所述谐振环左右对称，并在圆环与对称轴的上下交汇处各设置有一个开口，形成彼此独立的左右两个半环；
所述谐振结构设置于圆环形谐振环的中央，谐振结构包括以左右对称方式分别设置于谐振环对称轴两侧的两个金属片，金属片的长边与对称轴平行，金属片通过金属连接条与本侧半环连接；两个金属片之间设置有掺杂异质线，掺杂异质线沿谐振环对称轴设置且与两个金属片等距，掺杂异质线与介质基板之间为欧姆贴片；
同一列中，各相移单元的掺杂异质线通过该列的阳极引出线连接并引出至阳极连接端，左侧半环通过一条阴极引出线连接至阴极连接端，右侧半环通过另一条阴极引出线连接至阴极连接端。
2.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述金属底板的金属包括铝﹑银、金中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述介质基板的材质包括蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs、碳化硅中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述M、N皆为大于2的整数。
5.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述圆环形谐振环的圆心位于金属连接条的轴线上。
6.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述金属片与金属连接条的连接点位于金属片的长边中点，金属连接条的轴线垂直于谐振环对称轴。
7.如权利要求6所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述金属片的形状为长方形。
8.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，掺杂异质线的材料包括AlGaN、GaN、InGaN、GaN、AlGaAs、GaAs中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的太赫兹电控复合谐振可重构智能表面，其特征在于，所述欧姆贴片的材料包括Ti、Al、Ni、Au中的一种或多种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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