CN208674378U - 一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，包括底层反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上设有由金属谐振单元及二氧化钒谐振单元组成的谐振单元阵列，所述谐振单元阵列具有四个谐振单元，各谐振单元均由三部分组成，包括最外圈的圆环形结构，中间为对角连接的方形环结构，内圈为圆形片结构，所述圆形片结构位于方形环结构的中心。本实用新型使用二氧化钒相变材料，通过温度控制实现吸波器在THz波段的宽带可调谐，即实现单频和宽带吸收的可重构功能。该吸波器具有设计灵活、极化不敏感、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。

Description

一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器

技术领域

本实用新型涉及一种吸波器，具体的说是一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，属于无线电通信、THz器件领域。

背景技术

超材料是一种人工复合的材料，他们具备一些自然界的材料所不具备的特性，比如负介电常数，负折射率等。由于超材料奇特的物理特性，使其具有广泛的研究价值。超材料的单元结构尺寸远远小于其工作的波长，通过人为的设计，可以达到对超材料的性质等进行调控的目的。英国帝国理工学院的J.B.Pendry教授在20世纪末叶利用开口谐振环阵列和平行金属线阵列分别设计出了磁导率小于0和介电常数小于0的人工复合型材料。D.R.Smith教授在2000年设计出了一维双负材料，又在2001年设计出了二维双负材料。此后，超材料引发了研究者们的广泛关注。

二氧化钒是一种室温相变材料，其相变温度为68℃，二氧化钒在高温时表现为金属特性，而在低温时则表现为介质特性，由于这种温度相变特性，在可调谐吸波器领域具有广泛应用。THz波已经有一百多年的历史，但是由于受到产生源和技术等问题的限制，研究十分局限，被称为太赫兹空白。直到二十世纪八十年代，新材料、新技术的出现使得THz得到极大的发展。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，通过外部温控转换二氧化钒谐振单元的介质、金属状态，从而实现吸波器在THz波段的动态调谐。

本实用新型为解决上述问题采用以下技术方案：一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，包括底层反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上设有由金属谐振单元及二氧化钒谐振单元组成的谐振单元阵列，所述谐振单元阵列具有四个谐振单元，各谐振单元均由三部分组成，包括最外圈的圆环形结构，中间为对角连接的方形环结构及内圈的圆形片结构，所述圆形片结构位于方形环结构的中心。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述最外圈圆环形结构的环宽、方形环结构的环宽及其对角连接线的宽度均相等。

进一步的，所述圆环形结构及方形环结构的材料均为二氧化钒，圆形片结构的材料为金。

进一步的，所述谐振单元的中心位于介质基板两对角线的1/4处，其厚度均为0.2μm，且对角两谐振单元的尺寸相同。

进一步的，所述谐振单元中，位于左上方的谐振单元的圆环形结构的外边半径为19μm，环宽为2μm，方形环结构的外边长为23μm，圆形片结构的半径为5μm，位于右上方的谐振单元的圆环形结构的外边半径为17μm，环宽为1μm，方形环结构的外边长为21μm，圆形片结构的半径为6μm。

进一步的，所述二氧化钒谐振单元具有低温状态和高温状态，当处于低温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈介质特性，其电导率为0.74S/m，当处于高温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈金属特性,其电导率为150000S/m；所述低温状态的温度低于68℃，所述高温状态的温度大于或等于68℃。

进一步的，所述介质基板为方形板，其边长为80μm，厚度为3μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。

进一步的，所述底层反射板为方形板，其边长为80μm，厚度为0.4μm，材料为金。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器,通过外部温控实现二氧化钒谐振单元金属、介质性质的转换，以此实现吸波器在THz波段的动态调谐。

(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现对太赫兹电磁波的吸收，仅依赖于温度调控，无需改变其他参数。具有设计灵活、极化不敏感、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。

(3)实现了单频吸收和宽频吸收的温控可重构功能。

附图说明

图1为本实用新型的立体图。

图2为本实用新型的俯视图。

图3为本实用新型的侧视图。

图4为本实用新型的结构单元周期性排列的(3×3)阵列图。

图5为本实用新型在电磁波垂直入射时的吸收曲线。

附图标记解释：1、2、3、4—谐振单元，5—介质基板，6—金属反射板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，可以通过外部温控方式对二氧化钒谐振单元的状态进行调控，从而实现吸波器在太赫兹波段特定频率区域范围内的动态调谐，所述的吸波器由结构单元周期排列而成。其结构单元包括底层金属反射板6、介质基板5，以及谐振单元1、2、3、4。其立体图如图1所示，所述金属反射板的材料是金，所述介质基板的材料是无损耗的聚酰亚胺。

该吸波器的谐振单元由二氧化钒和金构成，通过外界温度控制二氧化钒谐振单元的状态。低温状态是温度低于68℃时的状态，此时二氧化钒谐振单元表现出介质特性，其电导率为0.74S/m，高温状态是温度高于或等于68℃时的状态，此时二氧化钒谐振单元表现为金属特性，其电导率为150000S/m。

一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，电磁波垂直入射时，高温、低温状态下吸收效果的差异是由于二氧化钒谐振单元在高温下呈现金属特性，在低温下呈现介质特性引起的。两种状态相比较，高温状态时，该吸波器的吸收效果更好。

该吸波器的俯视图如图2所示，所述谐振单元1、2、3、4设置于介质基板上，四个谐振单元的中心位于介质基板两对角线的1/4处，其厚度均为0.2μm，且对角两谐振单元的尺寸相同。所述四个谐振单元均由三部分组成，最外圈的谐振单元为圆环形结构，材料为二氧化钒，左上方的谐振单元的最外圈圆环的外边半径为19μm，环宽为2μm，右上方的谐振单元的最外圈圆环的外边半径为17μm，环宽为1μm，中间为对角连接的方形环结构减去圆形片结构，材料为二氧化钒，且最外圈圆环的环宽、方形环的环宽和对角连接线的宽度相等，左上方的谐振单元的中间方形环的外边长为23μm，右上方的谐振单元的中间方形环的外边长为21μm，内圈为圆形片结构，材料为金，左上方谐振单元的内圈圆形片的半径为5μm，右上方谐振单元的内圈圆形片的半径为6μm，相关参数如表1所示。

参数	d	h	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	l<sub>3</sub>	l<sub>4</sub>
							值(μm)	0.4	0.2	38	23	10	34
参数	l<sub>5</sub>	l<sub>6</sub>	m<sub>1</sub>	m<sub>2</sub>	p	t
							值(μm)	21	12	2	1	80	3

表1

该吸波器的金属反射板的材料是金，相关参数如表1所示。

该吸波器的介质基板的材料是无损耗的聚酰亚胺，相关参数如表1所示。

如图5所示，是该吸波器工作时的吸收曲线，该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，工作时电磁波沿-z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。高温状态下，在频带10.036THz到16.225THz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，相对带宽为47.1％。低温状态下，该吸波器在6.11THz、9.51THz、12.81THz、16.01THz和17.54THz产生五个吸收率大于90％的吸收峰，相应的吸收率分别为94.7％、96.6％、96.4％、99.9％和98.6％。因此，我们可以根据实际需求来选择工作状态，通过外部温控，实现对该吸波器在THz波段的动态调谐。

在经过特定的设计(二氧化钒谐振单元的尺寸和形状，温度控制)后，本实用新型可实现该吸波器在THz波段的动态调谐，其主要吸收都是由二氧化钒构成的谐振单元引起，可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，本实用新型具有极化不敏感、设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：包括底层反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上设有由金属谐振单元及二氧化钒谐振单元组成的谐振单元阵列，所述谐振单元阵列具有四个谐振单元，各谐振单元均由三部分组成，包括最外圈的圆环形结构，中间为对角连接的方形环结构及内圈的圆形片结构，所述圆形片结构位于方形环结构的中心。

2.根据权利要求1所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述最外圈圆环形结构的环宽、方形环结构的环宽及其对角连接线的宽度均相等。

3.根据权利要求1所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述圆环形结构及方形环结构的材料均为二氧化钒，圆形片结构的材料为金。

4.根据权利要求1所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述谐振单元的中心位于介质基板两对角线的1/4处，其厚度均为0.2μm，且对角两谐振单元的尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述谐振单元中，位于左上方的谐振单元的圆环形结构的外边半径为19μm，环宽为2μm，方形环结构的外边长为23μm，圆形片结构的半径为5μm，位于右上方的谐振单元的圆环形结构的外边半径为17μm，环宽为1μm，方形环结构的外边长为21μm，圆形片结构的半径为6μm。

6.根据权利要求1所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元具有低温状态和高温状态，当处于低温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈介质特性，其电导率为0.74S/m，当处于高温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈金属特性,其电导率为150000S/m；所述低温状态的温度低于68℃，所述高温状态的温度大于或等于68℃。

7.根据权利要求1所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述介质基板为方形板，其边长为80μm，厚度为3μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的基于相变材料的THz超宽带可调谐吸波器，其特征在于：所述底层反射板为方形板，其边长为80μm，厚度为0.4μm，材料为金。