CN209183747U - 一种基于共面结构宽带可调谐THz吸波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其主要结构包括最底层的金属反射板，金属反射板上方的介质基板以及介质基板上方的二氧化钒谐振单元。由二氧化钒构成的谐振单元在低温时表现为介质特性，在高温时表现为金属特性。本实用新型基于共面结构，使用二氧化钒相变材料，实现吸波器在THz波段的宽带可调谐。该吸波器具有设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。

Description

一种基于共面结构宽带可调谐THz吸波器

技术领域

本实用新型涉及一种吸波器，尤其是一种基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，属于无线电通信、THz器件领域。

背景技术

超材料是一种具备超常物理特性，如负介电常数、负磁导率等的人工复合结构或复合材料，而且超材料的尺寸远远小于它的工作波长。最初，因为电磁波在超材料中传播时，不像传统材料满足右手螺旋法则，而是满足左手螺旋法则，因而被称为左手材料。随着研究的不断推进，人们发现，由于左手材料具有特殊的物理特性，因而具有更广泛的应用前景，引发了国内外学者的广泛关注和研究。

1959年，Morin发现了钒的氧化物的相变特性，此后，人们对这一特性产生了浓厚的兴趣。VO₂的相变温度为68℃，又被称为室温相变材料，人们对其尤为关注。最常见的VO₂制备方法是反应溅射法，这种方法具有设备简单、操作简便的优点，因而得到了广泛的应用。当温度从低温变为高温时，VO₂会从高阻的绝缘态变为低阻的金属态，这种独特的性质使得VO₂在场效应管、信号传输以及THz器件等方面具有广泛的应用。S.Sengupta等制备了VO₂纳米束，用来制备场效应晶体管，利用VO₂的温控相变特性，施加不同的栅极电压来研究 VO₂对晶体管的调制作用。M.Seo等制备了基于VO₂薄膜相变的太赫兹纳米天线。在科学技术日益发展的今天，VO₂优异的性能使得其具有重要的研究价值。

THz波段是位于微波与红外之间的波段，由于THz波有容量大、安全性高、抗干扰性强等特性，因而具有很高的科学研究价值。近年来，THz技术日益发展，在生物医学、天文、军事等方面都有广泛的应用前景。2006年，Padilla等人首次提出并设计了THz动态可调谐器件，引起中外学者对THz动态可调谐器件的广泛关注，研究者们在各种衬底上制备超材料结构，进行对THz调制器的进一步研究。但是目前对THz器件的研究仍然存在很多空白，THz 器件还有很大的研究价值等待开发。

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，而提供一种基于共面结构宽带可调谐THz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：一种基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，包括底层反射板及其上方上设置的介质基板，所述介质基板上设有四个二氧化钒谐振单元，各二氧化钒谐振单元均由三部分组成，外层和中间的谐振单元为方形环结构且环宽相等，里层的谐振单元为两个上下对称的脉冲型结构。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述四个二氧化钒谐振单元中，对角两谐振单元的尺寸相等，其厚度均为0.2μm。左上方二氧化钒谐振单元的外层方形环的外边长为35μm，中间方形环的外边长为23μm，环宽2μm，里层脉冲型谐振结构的长为17.5μm，宽为2μm。右上方二氧化钒谐振单元的外层方形环的外边长为33μm，中间方形环的外边长为21μm，环宽1μm，里层脉冲型谐振结构的长为14μm，宽为1μm。

进一步的，所述四个二氧化钒谐振单元的中心位于介质基板两对角线的1/4处。

进一步的，所述脉冲型谐振单元包括上下对称设置的矩形条，各矩形条沿其相背的一侧具有等间距分布的四个矩形凸起，且最外侧的两个矩形凸起与矩形条的两端点重合。

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，呈介质特性，其电导率为0.74S/m,当处于高温状态时，呈金属特性,其电导率为150000S/m.

进一步的，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共面结构宽带可调谐THz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，具有设计灵活、温控可调谐、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TE模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线。

图6为本实用新型在TM模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线。

附图标记解释：1、2、3、4—二氧化钒谐振单元，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：

本实施例提出的一种基于共面结构宽带可调谐THz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，该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，以及二氧化钒谐振单元1、2、3、4。其立体图如图1所示，其中，金属反射板的材料是金，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构成，通过外界温度控制二氧化钒谐振单元1、2、3、4 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。

基于共面结构宽带可调谐THz吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，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，四个二氧化钒谐振单元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。其中1、4谐振单元的尺寸相等，2、3 谐振单元尺寸相等。四个二氧化钒谐振单元均由三部分组成，其厚度均为0.2μm，外层和中间的谐振单元为方形环结构且环宽相等，谐振单元1的外层方形环的外边长l₁为35μm，中间方形环的外边长l₂为23μm，环宽m₁为2μm，谐振单元2的外层方形环的外边长l₅为33μm，中间方形环的外边长l₆为21μm，环宽m₂为1μm。里层的谐振单元为两个上下对称的脉冲型结构，谐振单元1的里层脉冲型谐振单元的长l₃为17.5μm，宽m₁为2μm，其上小长方形的宽m₁为2μm，长以及相邻小长方形的间距l₄均为2.5μm。两个脉冲型谐振单元之间的距离 h₁为8μm，谐振单元2的里层脉冲型谐振单元的长l₇为14μm，宽m₂为1μm，其上小长方形的宽m₂为1μm，长以及相邻小长方形的间距l₈均为2μm，两个脉冲型谐振单元之间的距离h₂为6μm。相关参数如表1所示。

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。

参数	h<sub>1</sub>	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	l<sub>3</sub>	l<sub>4</sub>	m<sub>1</sub>
							值(μm)	8	35	23	17.5	2.5	2
参数	h<sub>2</sub>	l<sub>5</sub>	l<sub>6</sub>	l<sub>7</sub>	l<sub>8</sub>	m<sub>2</sub>
							值(μm)	6	33	21	14	2	1
参数	d	h	p	t
							值(μm)	0.4	0.2	80	3

表1

如图5、6所示，是该吸波器工作在TE、TM模式下的吸收曲线，由于该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，以下所述两种温度的吸收曲线均是TE模式下得到的吸收曲线，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10.282 THz到15.561THz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，相对带宽为40.9％。低温状态下，在THz波段，该吸波器的吸收率低于4.2％，入射电磁波的损耗极小。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)

1.一种基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：包括底层反射板及其上方上设置的介质基板，所述介质基板上设有四个二氧化钒谐振单元，各二氧化钒谐振单元均由三部分组成，外层和中间的谐振单元为方形环结构且环宽相等，里层的谐振单元包括上下对称设置的矩形条，各矩形条沿其相背的一侧具有等间距分布的四个矩形凸起，且最外侧的两个矩形凸起与矩形条的两端点重合。

2.根据权利要求1所述的基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：四个二氧化钒谐振单元中，对角两谐振单元的尺寸相等，其厚度均为0.2 μm；左上方二氧化钒谐振单元的外层方形环的外边长为35 μm，中间方形环的外边长为23 μm，环宽2 μm，里层的谐振结构的长为17.5 μm，宽为2 μm；右上方二氧化钒谐振单元的外层方形环的外边长为33 μm，中间方形环的外边长为21 μm，环宽1 μm，里层的谐振结构的长为14 μm，宽为1 μm。

3.根据权利要求2所述的基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：四个二氧化钒谐振单元的中心位于介质基板两对角线的1/4处。

4.根据权利要求2所述的基于共面结构宽带可调谐THz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，呈介质特性，其电导率为0.74S/m,当处于高温状态时，呈金属特性,其电导率为150000 S/m。

5.根据权利要求4所述的基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：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 ℃。

6.根据权利要求1所述的基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述介质基板为方形板，其边长为80 μm，厚度为3 μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。

7.根据权利要求1所述的基于共面结构宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述底层反射板为方形板，其边长为80 μm，厚度为0.4 μm，材料为金。