CN209183748U - 一种双圆环形相变材料超宽带THz吸波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，包括最底层的金属反射板，所述金属反射板上方设有四层结构单元，从下至上依次为第一介质基板、中间层二氧化钒谐振层、第二介质基板及顶层二氧化钒谐振层；各层二氧化钒谐振层均由四个二氧化钒谐振单元组成，所述四个二氧化钒谐振单元的中心位于其下方贴敷的介质基板的两对角线的1/4处，其厚度均为0.2μm，且各层中对角两谐振单元的尺寸相同。本实用新型通过温度控制实现吸波器在THz波段的宽带可调谐。该吸波器工作在TM模式下，入射角度为60°时具有最好的吸收效果。该吸波器具有设计灵活、温控可调谐、大角度吸收效果好、应用范围广、功能性强等特点。

Description

一种双圆环形相变材料超宽带THz吸波器

技术领域

本实用新型涉及一种双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，属于无线电通信、THz器件领域。

背景技术

超材料具有负折射率，负介电常数等异于常规材料的特性，引起了研究者们的广泛关注。20世纪末，J.B.Pendry教授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。此后，又有学者设计出了双负材料，被应用于吸波器的设计。但常规的超材料吸波器在制备形成以后，其吸波性能就无法改变，因此，可调谐的吸波器渐渐成为人们研究的热点。目前，大部分的可调谐吸波器吸收频带的改变都是依赖于结构的变化，这样极大的限制了吸波器的应用，缺乏普适性。随着研究的推进，人们发现氧化钒的介电常数会随温度的变化而变化。二氧化钒被称为室温相变材料，其相变温度68℃，当温度低于68℃时，二氧化钒表现为介质特性，温度高于68℃时，二氧化钒表现为金属特性。由于二氧化钒这种奇特的物理性质，在可调谐吸波器领域引起了极大关注。人们利用二氧化钒的温度特性设计以二氧化钒作为谐振材料的吸波器，通过温控实现对吸波器吸收频带的调谐，而不需要依赖于外部器件。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，一种双圆环形相变材料超宽带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。

本实用新型提供双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，包括底层反射板，所述底层反射板上设置有四层结构单元，所述四层结构单元从下至上依次为第一介质基板、中间二氧化钒谐振层、第二介质基板及顶部二氧化钒谐振层；所述中间及顶部二氧化钒谐振层均包括四个二氧化钒谐振单元，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，其厚度均为0.2μm，且各层中对角两谐振单元的尺寸相同。本实用新型谐振单元的材料采用相变材料二氧化钒，可以通过温控实现该吸波器在THz波段的动态调谐。该吸波器工作在TM模式下，入射角度为60°时具有最好的吸收效果。

本实用新型进一步限定技术方案为：所述顶部二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均由内外两部分组成，外部的谐振单元为内齿形圆环，内部的谐振单元为外齿形圆环，齿形结构的间距均为20°，环宽及齿形宽度相等，厚度均为0.2μm。左上方二氧化钒谐振单元的外层圆环的外半径为17.5μm，内层圆环的外半径为7.5μm，环宽2μm，右上方二氧化钒谐振单元的外层圆环的外半径为12μm，内层圆环的外半径为7μm，环宽1μm。

进一步的，所述中间二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均为开缝圆形片，厚度均为0.2μm。左上方二氧化钒谐振单元的半径为20μm，缝宽0.4μm，右上方二氧化钒谐振单元的半径为19.5μm，缝宽0.4μm。

进一步的，所述二氧化钒谐振单元有两种状态，低温状态和高温状态，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℃；当所述二氧化钒谐振单元处于低温状态时，呈介质特性，其电导率为10.62S/m，当所述二氧化钒谐振单元处于高温状态时，呈金属特性,其电导率为276000S/m。

进一步的，所述第一、二介质基板为方形板，其边长为80μm，第一介质基板的厚度为2μm，第二介质基板的厚度为4μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。

进一步的，所述金属反射板为方形板，其边长为80μm，厚度为0.4μm，材料为金。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型一种双圆环形相变材料超宽带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，仅依赖于温度调控，无需改变其他参数。具有设计灵活、温控可调谐、大角度吸收效果好、应用范围广、功能性强等特点。

(3)本实用新型工作在TM模式下，且入射角度为60°时，具有最好的吸收效果，相对带宽为97.32％。

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为本实用新型中间二氧化钒层的俯视图。

图4为本实用新型的侧视图。

图5为本实用新型的结构单元周期性排列的(3×3)阵列图。

图6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7为本实用新型在TM模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线。

图8为本实用新型在高温状态TE模式下不同入射角度时的吸收曲线。

图9为本实用新型在高温状态TM模式下不同入射角度时的吸收曲线。附图标记解释：1、2、3、4、6、7、10、11—二氧化钒谐振单元，5、8—介质基板，9—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。

本实施例提供的一种双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，该吸波器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9、介质基板5、8，以及二氧化钒谐振单元1、2、3、4、6、7、10、11。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构成，通过外界温度控制二氧化钒谐振单元1、2、3、4、6、7、10、11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10.62S/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276000S/m。

本实施例中的双圆环相变材料超宽带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。该吸波器在不同入射角度时的吸收效果是不同的，在TM模式下，入射角度为60°时具有最好的吸收效果。

该吸波器的俯视图如图2所示，所述二氧化钒谐振单元1、2、3、4、6、7、10、11设置于介质基板上，各二氧化钒谐振层的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谐振单元尺寸相同，6、11谐振单元的尺寸相等，7、10谐振单元尺寸相同，且厚度均为0.2μm。谐振单元1、2、3、4的齿形结构的间距均为20°。所述顶层四个二氧化钒谐振单元均由两部分组成，外层的谐振单元为内齿形圆环，内层的谐振单元为外齿形圆环，齿形结构的间距均为20°，环宽及齿形宽度相等，厚度均为0.2μm。左上方二氧化钒谐振单元的外层圆环的外半径为17.5μm，内层圆环的外半径为7.5μm，环宽2μm，右上方二氧化钒谐振单元的外层圆环的外半径为12μm，内层圆环的外半径为7μm，环宽1μm。相关参数如表1所示。

参数	d	h	k	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	l<sub>3</sub>	l<sub>4</sub>
								值(μm)	0.4	0.2	0.4	35	15	24	14
参数	l<sub>5</sub>	l<sub>6</sub>	m<sub>1</sub>	m<sub>2</sub>	p	t<sub>1</sub>	t<sub>2</sub>
								值(μm)	40	39	2	1	80	4	2

表1

该吸波器删掉顶层二氧化钒谐振单元以及第二介质基板的俯视图如图3所示，所述中间层二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均为开缝圆形片，厚度均为0.2μm。左上方二氧化钒谐振单元的半径为20μm，缝宽0.4μm，右上方二氧化钒谐振单元的半径为19.5μm，缝宽0.4μm。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。

该吸波器的两层介质基板的材料均为无损耗的聚酰亚胺，相关参数如表1所示。

如图6、7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6.76THz到10.48THz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，相对带宽为27.4％。低温状态下，在0.1-20THz，该吸波器的吸收率低于25％，入射电磁波的损耗小。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。

如图8，9所示是该吸波器工作在TE、TM模式下不同入射角度时的吸收曲线，该吸波器工作在TE模式下，入射角度为0°，10°，20°，30°，40°和50°时，吸收频带为6.76THz-10.48THz,6.8THz-11.12THz,6.86THz-11.32THz,7.41THz-11.56THz,7.67THz-11.3THz和8.03THz-10.4THz，对应的相对带宽分别为27.4％，48.2％，49％，43.8％，38.3％，25.7％。当入射角度为60°，70°和80°时，没有吸收率大于90％的频带。

该吸波器工作在TM模式下，入射角度为0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°和70°时，吸收频带为6.76THz-10.51THz,6.77THz-11.12THz,6.79THz-11.5THz,6.66THz-11.88THz,6.41THz-12THz,5.52THz-15THz,5.52THz-15.99THz和6.35THz-9.16THz,对应的相对带宽分别为43.4％，48.6％，51.5％，56.3％，60.7％，92.4％,97.32％和36.2％。当入射角度为80°时，没有吸收率大于90％的频带。

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。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：包括底层反射板，所述底层反射板上设置有四层结构单元，所述四层结构单元从下至上依次为第一介质基板、中间二氧化钒谐振层、第二介质基板及顶部二氧化钒谐振层；

所述中间及顶部二氧化钒谐振层均包括四个二氧化钒谐振单元，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，其厚度均为0.2 μm，且各层中对角两谐振单元的尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：所述顶部二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均由内外两部分组成，外部的谐振单元为内齿形圆环，内部的谐振单元为外齿形圆环，齿形结构的间距均为20°，环宽及齿形宽度相等，厚度均为0.2 μm。

3.根据权利要求2所述的双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：左上方二氧化钒谐振单元的外层圆环的外半径为17.5 μm，内层圆环的外半径为7.5 μm，环宽2 μm，右上方二氧化钒谐振单元的外层圆环的外半径为12 μm，内层圆环的外半径为7 μm，环宽1μm。

4.根据权利要求1所述的双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：所述中间二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均为开缝圆形片，厚度均为0.2 μm。

5.根据权利要求2所述的双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：左上方二氧化钒谐振单元的半径为20 μm，缝宽0.4 μm，右上方二氧化钒谐振单元的半径为19.5 μm，缝宽0.4 μm。

6.根据权利要求1所述的双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元有两种状态，低温状态和高温状态，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 ℃；

当所述二氧化钒谐振单元处于低温状态时，呈介质特性，其电导率为10.62 S/m，当所述二氧化钒谐振单元处于高温状态时，呈金属特性,其电导率为276000 S/m。

7.根据权利要求1所述的双圆环形相变材料超宽带THz吸波器，其特征在于：所述第一、二介质基板为方形板，其边长为80 μm，第一介质基板的厚度为2 μm，第二介质基板的厚度为4 μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的双圆环形相变材料超宽带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。