CN210040564U

CN210040564U - 一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器

Info

Publication number: CN210040564U
Application number: CN201921357422.9U
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 杨彤; 李昱芃; 孙汤毅
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2029-08-20

Abstract

本实用新型公开了一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，该吸波器结构包括由下往上依次层叠的底层金属反射板，第一层的介质基板，两层介质之间的带有开口谐振环的四角雪花形二氧化钒谐振单元，第二层介质基板，以及顶层的四角雪花形二氧化钒谐振单元。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。该吸波器采用二氧化钒相变材料，在THz波段内实现了宽带可调谐的功能。同时，该吸波器采用双层结构，极大的扩宽了吸收频带。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。

Description

一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器

技术领域

本实用新型涉及一种太赫兹吸波器，具体的说是一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，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。

随着相变材料研究的不断深入，特别是对二氧化钒(VO₂)相变特性的研究，二氧化钒材料逐渐被用于超材料吸波体结构中，来实现吸波体的动态可调。当温度逐渐升高时，二氧化钒会从半导体相转变为金属相，并伴随着材料的电学和光学性质的突变。除了温度能使其发生相变外，磁场、电场、光照和压力等也会使二氧化钒发生相变。因此将二氧化钒材料与超材料吸波体结合起来实现吸波体性能的动态可调是一种非常好的思路。目前已在VO₂光子晶体、VO₂光电转化开关和相变电阻等领域有所应用。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。

太赫兹波是电磁波的一种，广义上指频率为100GHz-10THz的电磁辐射。THz波(太赫兹波)或称为THz射线(太赫兹射线)是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在国际范围内掀起一股THz研究热潮。

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，提供一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，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。采用双层结构，使吸收频带更宽，效果更好。

本实用新型为解决上述问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，包括由下往上依次层叠的底层金属反射板，第一层的介质基板，两层介质基板之间的带有开口谐振环的四角雪花形二氧化钒谐振单元，第二层介质基板，以及顶层的四角雪花形二氧化钒谐振单元。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述的两层介质基板之间共包括四组二氧化钒谐振单元，每组二氧化钒谐振单元均由外围开口谐振矩形环和内圈的四角雪花形谐振结构两部分组成。所述四个开口矩形环大小、宽度都相等，且分别以x轴、y轴相互对称。所述内圈四角雪花形谐振结构包含四个大小形状均相同的大分支，且每个大分支上均带有四个大小形状都相同的小分支。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述位于两层介质基板之间的四组二氧化钒谐振单元厚度均为c＝0.15μm。左上方开口矩形环长为k＝52μm，宽为l＝49μm，环宽度为u＝3μm，开口分别位于左侧边上方和右侧边下方(分别距上、下边框5μm)，开口长度均为e＝17μm，四个矩形环分别以x轴、y轴相互对称。左上方四角雪花形谐振单元中四个大分支均长e₂＝23.76μm，宽v₂＝3.8μm，每个大分支上的四个小分支均长d₂＝9.5μm，宽v₂＝3.8μm。右上方四角雪花形谐振单元中四个大分支均长e₁＝22.176μm，宽v₁＝3.52μm，每个大分支上的四个小分支均长d₁＝8.8μm，宽v₁＝3.52μm。对角的两个谐振单元关于原点中心对称。所述四组二氧化钒谐振单元的中心都分别位于介质基板两对角线的1/4处。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述的顶层的四个四角雪花形谐振单元厚度均为cc＝0.1μm。每个四角雪花形谐振单元中四个大的分支均长gg＝20μm，宽vv＝3μm，每个大分支上的四个小分支均为长kk＝7.5μm，宽vv＝3μm。四个谐振单元下都挖有半径为j＝14μm，高度为bb＝2μm圆柱形空气槽。四个谐振单元均相同，且关于原点中心对称。所述四个二氧化钒谐振单元的中心都分别位于介质基板两对角线的1/4处。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述二氧化钒谐振单元有两种状态，低温状态和高温状态。低温状态呈介质特性(温度低于68℃)，其电导率为20S/m；高温状态呈金属特性(温度大于或等于68℃)，其电导率为200000S/m。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述两层介质基板均为正方形板，边长均为p＝120μm，材料均为有损耗的聚酰亚胺，其介电常数为3.5，损耗角正切值为0.0027。所述第一层介质基板厚度为b＝4μm，第二层介质基板厚度为bb＝2μm。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述金属反射板为方形板，其边长为p＝120μm，厚度为a＝0.3μm，材料为铜。

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二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器,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。通过双层设计，进一步扩宽了二氧化钒的吸收频带。

(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为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的第一层谐振单元的俯视图。

图3为本实用新型的第二层谐振单元的俯视图。

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。

附图标记解释：1—金属反射板，2—第一层介质基板，3—第二层介质基板，4、5、6、7—顶层的二氧化钒谐振单元，8、10、12、14—两层介质基板之间的矩形环，9、11、13、15—两层介质基板之间的四角雪花形谐振单元。

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：

一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器的设计及原理，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，其周期阵列图如图5所示。其结构单元包括底层金属反射板1、第一层介质基板2，第二层介质基板3，最上层的二氧化钒谐振单元4、5、6、7以及两层介质之间的二氧化钒谐振单元8、9、10、11、12、13、14、15，其立体图如图1所示。

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可以产生低温、高温两种状态。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20S/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200000S/m。

所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器的产生方法，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，吸收特性由结构4、5、6、7、8、9、11、12、13、14、15产生，高温状态下，二氧化钒谐振单元呈现金属特性；在低温下呈现介质特性。所以两种状态相比较，高温状态时，该吸波器的吸收效果更好。

该吸波器相关参数如表1所示。

参数	a	b	c	bb	cc	p
							值(μm)	0.3	4	0.15	2	0.15	60
参数	o	e	u	l	v<sub>1</sub>	v<sub>2</sub>
							值(μm)	2.42	17	3	49	3.52	3.8
参数	m<sub>1</sub>	m<sub>2</sub>	w<sub>1</sub>	w<sub>2</sub>	e<sub>1</sub>	e<sub>2</sub>
							值(μm)	2.41	2.54	13.33	14.27	44.35	47.52
参数	j	gg	i	vv	s	k
							值(μm)	14	40	12.09	3	5	52
参数	kk	d<sub>1</sub>	d<sub>2</sub>
							值(μm)	7.5	8.8	9.5

表1

图6、7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，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)。如图6所示，实线代表高温状态下的吸收曲线，虚线代表低温状态下的吸收曲线。高温状态下，在频带4.97-9.03THz内的吸收率高于90％，相对带宽为58％。低温状态下，为多频点吸收，入射电磁波的损耗极小。如图7所示，实线代表高温状态下的吸收曲线，虚线代表低温状态下的吸收曲线。高温状态下，在频带5.09-9.07THz内的吸收率高于90％，相对带宽为56.21％，低温状态下同样为多频点吸收。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)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

1.一种基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：包括由下往上依次层叠的底层金属反射板、第一层介质基板及第二层介质基板，所述第一、二层介质基板之间具有第一层二氧化钒谐振单元，所述第二层介质基板的上表面具有第二层二氧化钒谐振单元，且第一、二层二氧化钒谐振单元均为四组，四组二氧化钒谐振单元的中心都分别位于其所处的介质基板两对角线的1/4处，对角的两个谐振单元关于原点中心对称；吸波器的吸收频带为4.97-9.03THz，相对带宽为58％。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：所述第一层二氧化钒谐振单元为四组，均由外围的开口谐振矩形环和内圈的四角雪花形谐振结构两部分组成；各四角雪花形谐振结构均包含四个大小形状均相同的大分支，且每个大分支上均带有四个大小形状都相同的小分支；

所述第二层二氧化钒谐振单元为四组，由四个四角雪花形谐振单元组成，且四个四角雪花形谐振单元下均挖有圆柱形空气槽。

3.根据权利要求2所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：所述第一层二氧化钒谐振单元的各组厚度均为c＝0.15μm；

左上方开口矩形环的长度为k＝52μm，宽度为l＝49μm，环宽度为u＝3μm，开口分别位于左侧边上方和右侧边下方，开口长度均为e＝17μm，四个矩形环分别以x轴、y轴相互对称；

左上方四角雪花形谐振单元中四个大分支的长度为e₂＝23.76μm，宽度为v₂＝3.8μm，每个大分支上的四个小分支的长度为d₂＝9.5μm，宽度为v₂＝3.8μm；

右上方四角雪花形谐振单元中四个大分支的长度为e₁＝22.176μm，宽度为v₁＝3.52μm，每个大分支上的四个小分支的长度为d₁＝8.8μm，宽度为v₁＝3.52μm。

4.根据权利要求2所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：所述第二层二氧化钒谐振单元的四个四角雪花形谐振单元厚度均为cc＝0.1μm；各四角雪花形谐振单元中四个大分支的长度为gg＝20μm，宽度为vv＝3μm，每个大分支上的四个小分支的长度为长kk＝7.5μm，宽度为vv＝3μm；

四个圆柱形空气槽的半径为j＝14μm，高度为bb＝2μm。

5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：所述第一、二层二氧化钒谐振单元均包括低温状态及高温状态；低温状态时，温度低于68℃，呈介质特性，其电导率为20S/m；高温状态时，温度大于或等于68℃，呈金属特性，其电导率为200000S/m。

6.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：所述两层介质基板均为正方形板，边长均为p＝120μm，材料均为有损耗的聚酰亚胺，其介电常数为3.5，损耗角正切值为0.0027；所述第一层介质基板厚度为b＝4μm，第二层介质基板厚度为bb＝2μm。

7.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和腔体谐振的双层太赫兹吸波器，其特征在于：所述底层金属反射板为方形板，其边长为p＝120μm，厚度为a＝0.3μm，材料为铜。