CN208690497U - 一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面，包括由下至上依次层叠的底层金属反射板、第一介质基板、第二介质基板及顶层的谐振单元，所述谐振单元由两个呈I形的金属贴片及连接两金属贴片的一字形石墨烯贴片，所述金属贴片与石墨烯贴片共同组成一个呈H形的谐振单元。本实用新型采用石墨烯贴片和金属贴片共同工作，通过改变石墨烯贴片的费米能级，实现了太赫兹波段内的超宽带线‑圆极化转换和圆极化工作频带可调控的目的。

Description

一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面

技术领域

本实用新型涉及一种超材料的应用，特别是一种基于石墨烯的可调控超宽带圆极化超表面，属于太赫兹器件技术领域。

背景技术

随着科技的进步，太赫兹科学也越来越受到世界各国的关注，大量人力物力投入到了太赫兹科学的研究。太赫兹波在电磁波谱中位于微波到红外的过渡位置，频率范围覆盖了0.1THz到10THz。随着太赫兹科学的发展，太赫兹技术在电信、敏感检测和遥感等领域显现出广阔的应用前景。对太赫兹波极化状态的有效操控是太赫兹科学与技术研究的热点。随着社会信息化程度的不断提高，线极化波愈来愈难以满足如今严格的通信要求，由于圆极化波的众多优势，如降低极化不一致导致的能量损耗，降低雨雾天气和建筑物的干扰性，消除无线电信号传输时在电离层因为法拉第旋转效应而引发极化畸变所造成的影响等等，使得圆极化技术被广泛地应用于通信、遥测、雷达、电子侦察和干扰等系统中，所以研究太赫兹波段的线-圆极化转换技术至关重要。

亚波长结构超材料具有一些超常物理特性，如负折射率、圆二色性、极化调控等，所以可以通过超材料来获得自然界难以获得的强各向异性。而超表面是由超材料结构单元组成的一种二维阵列，根据广义斯涅尔定理，超表面能够灵活地调制电磁波的极化方式、相位、传播方向等。但对于大多数情况，超表面结构一旦固定，工作范围很难再发生改变，为得到可调谐的宽圆极化工作范围就不得不引入大量的集总元件，控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造

石墨烯就能很好的解决这一问题，石墨烯作为一种超薄、结构坚固、性能良好的半金属薄膜材料，自问世以来就受到了人们的广泛关注。石墨烯等离子体谐振与自由空间电磁波之间的相互作用能够改变电磁波的电磁特性，因此周期性图案化的石墨烯结构可以作为超表面的单元结构调控对应频段电磁波的特性。同时石墨烯的电导率具有可调性，能够通过外加电压等方式改变石墨烯等离子体谐振特性，进而实现对超表面工作状态的动态调控。所以使用石墨烯超表面来实现线-圆极化转换成了近些年的研究热点。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面，包括由下至上依次层叠的底层金属反射板、第一介质基板、第二介质基板及顶层的谐振单元，所述谐振单元由两个呈I形的金属贴片及连接两金属贴片的一字形石墨烯贴片，所述金属贴片与石墨烯贴片共同组成一个呈H形的谐振单元，可以实现THz波段超宽带线-圆极化转换。。通过改变外加在石墨烯贴片与第二层介质基板之间的偏置电压的大小来调控石墨烯贴片的费米能级，当费米能级减小时，3dB轴比带宽增大且向低频覆盖，从而可以实现圆极化工作范围的动态转移。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：所述I形金属贴片的两长侧端呈弧形内凹，由一个长度a＝49.9μm，宽度b＝28.4μm矩形结构剪去两个相同的弓形结构构成，所述弓形结构的弦长与矩形结构的边长相等，所述弓形结构对应的圆心角为64°3′22″。所述金属贴片关于x轴对称，且两个金属贴片中心相距c＝33.2μm。

进一步的，所述石墨烯贴片由一个长度c＝33.2μm，宽度d＝5.8μm的矩形结构剪去两个I形的金属贴片构成，所述矩形结构的宽边经过金属贴片中心，所述石墨烯贴片中心与金属贴片中心均位于y轴上。

所述石墨烯贴片由单层碳原子紧密排列构成，且石墨烯贴片与第二层介质基板之间加载用于激励石墨烯贴片的偏置电压，并通过调节不同的偏置电压来改变的石墨烯贴片的费米能级。

进一步的，所述第一层介质基板的材料为Neltec NY9208，介电常数2.08，损耗角正切值0.0006，介质基板边长84μm，厚度33μm，设置在金属反射板上方。第二层介质基板材料为SiO₂，介电常数4，介质基板边长84μm，厚度1μm，设置在第一层介质基板上方。

进一步的，所述金属贴片与底层反射板材料为金，厚度为0.2μm；石墨烯贴片的厚度为0.34nm。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型是基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，当电磁波垂直入射且石墨烯贴片和金属铁片共同工作时，通过合理的参数优化可以实现超宽带范围内的线-圆极化转换。同时，可以通过改变外加在石墨烯贴片与第二层介质基板之间的偏置电压的大小来调控石墨烯贴片的费米能级，当费米能级减小时，3dB轴比带宽增大且向低频覆盖，从而可以实现频带范围的动态调控。

(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现线-圆极化转换，具有频带宽、设计灵活、应用范围广、功能性强等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的立体图。

图3为本实用新型的侧视图。

图4为本实用新型的单元周期性排列的(3×3)阵列图。

图5为本实用新型的石墨烯贴片分别在费米能级E_f为0.4eV、0.6eV、0.8eV、1.0eV时相对介电常数随频率变化曲线。

图6为本实用新型在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时分别在费米能级E_f为0.4eV、0.6eV、0.8eV、1.0eV时轴比曲线。

图7为本实用新型在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时在费米能级E_f为0.4eV的极化转换率曲线。

图8为本实用新型在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时在费米能级E_f为0.6eV的极化转换率曲线。

图9为本实用新型在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时在费米能级E_f为0.8eV的极化转换率曲线。

图10为本实用新型在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时在费米能级E_f为1.0eV的极化转换率曲线。

图11为本实用新型费米能级E_f为0.4eV的相位差曲线。

图12为本实用新型费米能级E_f为0.6eV的相位差曲线。

图13为本实用新型费米能级E_f为0.8eV的相位差曲线。

图14为本实用新型费米能级E_f为1.0eV的相位差曲线。

附图标记解释：1、2—金属贴片，3—石墨烯贴片，4—第一层介质基板，5—第二层介质基板，6—金属反射板，7—偏置电压。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的阐述：

本实施例提出的一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面，该超表面由单元结构周期排列而成，其结构包括置于顶层的金属贴片1、2与石墨烯贴片3组成的谐振单元，底层的金属反射板6，置于金属反射板上的第一层介质基板4，置于第一层介质基板上的第二层介质基板5。其立体图如2所示。该超表面通过石墨烯贴片和金属贴片共同工作，实现THz波段的超宽带线-圆极化转换。同时，通过改变偏置电压来调控石墨烯的费米能级，实现圆极化工作范围可动态转移的目的。

石墨烯贴片使用选择Kubo模型描述其电导率，由电导率推导出介电常数公式其中温度T＝300K，石墨烯厚度g＝0.34nm，载流子散射率Γ＝0.43meV，石墨烯贴片相对介电常数在不同费米能级下随频率变化曲线如图5所示。

石墨烯贴片3与偏置电压7的一端相连，该偏置电压的另一端与第二层介质基板5相连，如图2所示。通过改变该偏置电压来调节石墨烯贴片的费米能级E_f，从而实现圆极化工作范围动态转移。

同时，石墨烯宽带可调控圆极化超表面的产生方法，该超表面对于入射的电磁波是极化敏感的，当电场与水平方向呈45°线极化波垂直入射时，线-圆极化转换由石墨烯贴片与金属贴片共同工作引起，实现超宽带范围的线-圆极化转换。

该超表面能在够实现较宽圆极化工作频带范围同时，通过调控石墨烯的费米能级，可以实现圆极化工作范围动态转移。

该超表面金属贴片与金属反射板材料为金，第一层介质基板的材料是NeltecNY9208，介电常数2.08，损耗角正切值0.0006，第二层介质基板的材料为SiO₂，介电常数为4。

该超表面的谐振单元与介质基板的相关参数如表1所示。

参数	a	b	c	d
					值(μm)	49.9	28.4	33.2	5.8
参数	h	h<sub>1</sub>	p	w
					值(μm)	33	1	84	0.2
参数	g
					值(μm)	0.00034

表1

石墨烯宽带可调控圆极化超表面，由若干个谐振单元周期排列而成。该超表面结构单元如图1所示，包括顶层金属贴片1、2和石墨烯贴片3，底层金属反射板6，置于底层金属反射板上的第一层介质基板4，置于第一层介质基板上的第二层介质基板5。该超表面侧视图和周期性排列的(3×3)阵列图分别如图3、图4所示。

如图5是在温度T＝300K，石墨烯厚度g＝0.34nm，载流子散射率Γ＝0.43meV，频率在0.6～3THz时，石墨烯贴片的相对介电常数在的不同费米能级下随频率变化曲线。

如图6是该超表面在不同费米能级下的轴比曲线，图6中实线表示为石墨烯贴片费米能级为0.4eV时的轴比曲线，3dB轴比带宽为0.9194～2.3221THz，相对带宽为86.55％。图6中划线表示为石墨烯贴片费米能级为0.6eV时的轴比曲线，3dB轴比带宽为0.9293～2.3126THz，相对带宽为85.33％。图6中点线表示为石墨烯贴片费米能级为0.8eV时的轴比曲线，3dB轴比带宽为0.9449～2.3158THz，相对带宽为84.08％。图6中点划线表示为石墨烯贴片费米能级为1.0eV时的轴比曲线，3dB轴比带宽为0.9714～2.2912THz，相对带宽为80.91％。显然，可以认为能通过降低石墨烯贴片的费米能级使圆极化工作范围增大且向低频频段覆盖。

如图7、图8、图9、图10所示，分别是该超表面在分别在费米能级E_f为0.4eV、0.6eV、0.8eV、1.0eV时的极化转换率曲线。如图11、图12、图13、图14所示，分别是该超表面在费米能级E_f为0.4eV、0.6eV、0.8eV、1.0eV时的相位差曲线。由极化转换率公式PCR_R表示反射极化转换率，r_ps表示交叉极化反射系数，r_ss表示同极化反射系数，t_ps表示交叉极化透射系数，t_ss表示同极化透射系数，由于底层为完全金属反射板，所以t_ps＝t_ss＝0,所以当PCR_R＝0.5且正交反射极化波相位差为±90°(或者其奇数倍)时，表示发生完全线-圆极化转换。图11、图12、图13、图14中,该超表面在四种费米能级下相位差始终为-90°或者270°，所以当PCR_R在0.5附近时即可判断为实现线-圆极化转换。图7中，该超表面在石墨烯贴片费米能级为0.4eV时，在0.9607～1.3883THz，1.3883～1.8322THz，2.0546～2.2619THz内极化转换率基本处在0.4～0.6之间，图8中，该超表面在石墨烯贴片费米能级为0.6eV时，在0.9745～1.1416THz，1.2897～1.7450THz，2.0992～2.2654THz内极化转换率基本处在0.4～0.6之间，图9中，该超表面在石墨烯贴片费米能级为0.8eV时，在1.0019～1.7095THz，2.0810～2.2591THz内极化转换率基本处在0.4～0.6之间，图10中，该超表面在石墨烯贴片费米能级为1.0eV时，在1.0160～1.6380THz，2.0823～2.2895THz内极化转换率基本处在0.4～0.6之间。所以可认为在实现了超宽带线-圆极化转换的同时，当石墨烯贴片的费米能级减小时，该超表面的圆极化工作频带向低频频段覆盖。

在经过特定设计后，本实用新型能够根据需要人工自由调控超宽带线-圆极化转换的频带范围，本实用新型具有频带宽、设计灵活、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。本领域的技术人员应该了解，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和范围的前提下，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 (7)

1.一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：包括由下至上依次层叠的底层金属反射板、第一介质基板、第二介质基板及顶层的谐振单元，所述谐振单元由两个呈I形的金属贴片及连接两金属贴片的一字形石墨烯贴片，所述金属贴片与石墨烯贴片共同组成一个呈H形的谐振单元。

2.根据权利要求1所述的石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：所述I形金属贴片的两长侧端呈弧形内凹，由一个长度a=49.9 μm，宽度b=28.4 μm矩形结构剪去两个相同的弓形结构构成，所述弓形结构的弦长与矩形结构的边长相等，所述弓形结构对应的圆心角为64 °3 ′22 ″。

3.根据权利要求1所述的石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：所述金属贴片关于x轴对称，且两个金属贴片中心相距c=33.2 μm。

4.根据权利要求1所述的石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：所述石墨烯贴片由一个长度c=33.2 μm，宽度d=5.8 μm的矩形结构剪去两个I形的金属贴片构成，所述矩形结构的宽边经过金属贴片中心，所述石墨烯贴片中心与金属贴片中心均位于y轴上。

5.根据权利要求1所述的石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：所述石墨烯贴片由单层碳原子紧密排列构成，且石墨烯贴片与第二介质基板之间加载用于激励石墨烯贴片的偏置电压。

6.根据权利要求1所述的石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：所述第一介质基板的材料为Neltec NY9208，介电常数2.08，损耗角正切值0.0006，介质基板边长84 μm，厚度33 μm，设置在金属反射板上方，所述第二介质基板材料为SiO₂，介电常数4，介质基板边长84 μm，厚度1 μm，设置在第一介质基板上方。

7.根据权利要求1所述的石墨烯宽带可调控圆极化超表面，其特征在于：所述金属贴片与底层反射板材料为金，厚度为0.2 μm；石墨烯贴片的厚度为0.34nm。