CN210182581U

CN210182581U - 一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体

Info

Publication number: CN210182581U
Application number: CN201921357423.3U
Authority: CN
Inventors: Haifeng Zhang; 章海锋; Tong Yang; 杨彤; Yupeng Li; 李昱芃; Tangyi Sun; 孙汤毅
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2029-08-20

Abstract

本实用新型公开了一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其结构包括最底层的金属基板，中间的介质基板，以及最上方的带有开口矩形环的双向箭头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。本实用新型基于双向双箭头形结构，使用二氧化钒相变材料，实现吸波器在THz波段内的宽带可调谐。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

一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体

技术领域

本实用新型涉及一种吸波体，具体的说是一种基于二氧化钒调控的单层THz 宽带吸波体，属于无线电通信、THz器件领域。

背景技术

超材料(metamaterials)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。它是一种单元尺度远远小于工作波长的人工周期结构，在长波长条件下(波长远大于结构单元尺寸)，具有等效介电常数和磁导率，通过对其单元谐振特性的设计可以在特定频段对超材料的等效电磁参数进行有效控制，如可以使其等效介电常数和磁导率接近于零，甚至为负。这些特性使超材料具有很大的潜在应用价值，成为近年来国际学术界的研究热点之一。

1959年，F.J.Morinf发现VO₂等氧化物具有相变特性，如VO₂的相变温度为68℃，又被称为室温相变材料，当VO₂为低温状态时，呈现为高阻的绝缘态，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，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。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。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，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。近年来，THz技术日益发展，在生物医学、军事、天文等方面都有广泛的应用前景。

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调控的单层THz宽带吸波体，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：

本实用新型提供一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，包括底层金属反射板，所述底层金属反射板上设置有介质基板，所述介质基板上设置有四组二氧化钒谐振单元。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述的四组二氧化钒谐振单元每组均由外围开口谐振矩形环和内圈的双向双箭头形谐振单元两部分组成。外围开口谐振矩形环大小、宽度都相等且以原点中心对称。内圈谐振结构为两个互相垂直的双向双箭头，每个双向双箭头上有四个大小、形状都相同的小箭头，每组谐振单元下方挖有空气槽。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述四组二氧化钒谐振单元厚度均为c＝0.4μm。左上方开口矩形环长为f1＝52μm，宽为f2＝49μm，环宽度为u＝2μm，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，且四个矩形环以原点为中心对称。左上方两个互相垂直的双箭头均长l＝18.48μm，宽v₂＝2.96μm，每个双箭头上的四个小箭头均长w₂＝7.39μm，宽v₂＝2.96μm。右上方两个互相垂直的双箭头长g＝19.40μm，宽v₁＝2.86μm，每个双箭头上的四个小箭头均为长w₁＝7.15μm，宽v₁＝2.86μm。四组谐振单元下都挖有半径为j＝20μm，高度为4.99μm圆柱形空气槽(与谐振单元之间存在厚度为0.01μm的聚酰亚胺薄膜)。所述四组二氧化钒谐振单元的中心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，所述的一种基于二氧化钒调控的单层THz 宽带吸波体其特征在于，所述二氧化钒谐振单元有两种状态，低温状态和高温状态。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，所述介质基板为方形板，其边长为 p＝120μm，厚度为b＝5μm，材料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。

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调控的单层THz宽带吸波体,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波段内的动态调谐。

(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为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的俯视图。

图3为本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—金属反射板，2—介质基板，3、5、7、9—开口谐振矩形环，4、 6、8、10—双向双箭头形谐振结构。

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：

一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体的设计及原理，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4所示。其结构单元包括底层金属反射板1、介质基板2，以及二氧化钒谐振单元3、4、5、6、7、8、9、10。其立体图如图1所示，所述金属反射板的材料是铜，所述介质基板的材料是有损耗的聚酰亚胺，其介电常数为3.5，损耗角正切值为 0.0027。

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3、4、5、6、7、8、9、10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调控的单层THz宽带吸波体的产生方法，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3、4、5、6、7、8、 9、10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	p	f1	f2
							值(μm)	0.3	5	0.4	120	52	49
参数	u	e	w<sub>1</sub>	w<sub>2</sub>	v<sub>1</sub>	v<sub>2</sub>
							值(μm)	2	17	7.15	7.39	2.86	2.96
参数	g	l	h	q<sub>1</sub>	q<sub>2</sub>	k<sub>2</sub>
							值(μm)	39.66	41.15	5	1.04	1.10	19.26
参数	k<sub>1</sub>	j
							值(μm)	18.54	20

表1

图5、6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5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6.29THz到10.73THz内的吸收率高于90％，相对带宽为52.17％，低温状态下，在THz波段，为多频点吸收，入射电磁波的损耗极小。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6.29THz到10.75THz内的吸收率高于90％，相对带宽为52.35％，低温状态同样为多频点吸收。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波段内的动态调谐。

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波段内的动态调谐，其主要吸收都是由二氧化钒构成的谐振单元引起，设计灵活、可调谐温控、可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，本实用新型结构新颖，在雷达、无线通信等设备的研究中具有重要的研究价值。

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调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：包括由下至上依次层叠的底层金属反射板、中间介质基板及顶层的二氧化钒谐振单元层；所述顶层的二氧化钒谐振单元层上具有四组二氧化钒谐振单元，所述二氧化钒谐振单元均由外围的开口谐振矩形环及内圈的双向双箭头形的谐振结构组成，四个外围的开口谐振矩形环尺寸相等且关于介质基板中心点呈中心对称，内圈的谐振结构为两个互相垂直的双向双箭头，每个双向双箭头上均设有四个尺寸相同的小箭头，各组二氧化钒谐振单元下方均挖有空气槽；所述吸波体的吸收频带为6.29THz-10.73THz，相对带宽为52.17％。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：四组二氧化钒谐振单元中，左上方的开口谐振矩形环的长度为f1＝52μm，宽度为f2＝49μm，矩形环的宽度为u＝2μm，开口分别位于所述介质基板的左侧边上方及右侧边下方，开口长度均为e＝17μm，左上方的两个互相垂直的双箭头的长度为l＝18.48μm，宽度为v₂＝2.96μm，每个双箭头上的四个小箭头的长度为w₂＝7.39μm，宽度为v₂＝2.96μm；

右上方的两个互相垂直的双箭头的长度为g＝19.40μm，宽度为v₁＝2.86μm，每个双箭头上的四个小箭头的长度为w₁＝7.15μm，宽度为v₁＝2.86μm。

3.根据权利要求2所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：所述四组二氧化钒谐振单元的厚度均为c＝0.4μm。

4.根据权利要求2所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：所述开口谐振矩形环分别距上、下边框5μm。

5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：圆柱形空气槽的半径为j＝20μm，高度为4.99μm。

6.根据权利要求5所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：所述圆柱形空气槽与各二氧化钒谐振单元之间具有厚度为0.01μm的聚酰亚胺薄膜。

7.根据权利要求2所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：所述四组二氧化钒谐振单元的中心分别位于介质基板两对角线的1/4处。

8.根据权利要求1所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元具有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。

9.根据权利要求1所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，其特征在于，所述介质基板为正方形板，其边长为p＝120μm，厚度为b＝5μm，材料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。

10.根据权利要求1所述的基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体，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。