[發(fā)明專利]基于平行線偶極子結構手征超表面太赫茲極化器

在審

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• 申請日: 2017-10-28
• 公開（公告）號: CN108063317A
• 公開（公告）日: 2018-05-22
• 發(fā)明（設計）人: 蘭峰;楊梓強;史宗君;羅峰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q15/24
• 分類號: H01Q15/24;G02F1/00
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所(普通合伙) 51215
• 代理人: 劉勛

基于平行線偶極子結構手征超表面太赫茲極化器，屬于電磁波全矢量傳輸調控器件技術領域，本發(fā)明包括襯底介質基片、設置于襯底介質基片上表面的金屬手征結構表面層、設置于襯底介質基片下表面的金屬反射板表面層,其特征在于，金屬手征結構表面層包括N×N個正交設置的正方形單元排列而成的陣列，每個正方形單元中，沿正方形的一條對角線對稱設置有兩條矩形的金屬線，金屬線的長邊與陣列的行線夾角α為45度。本發(fā)明極化轉換效率高、插入損耗小、圓極化相差小、帶外抑制明顯、結構簡單、尺寸小、調控方便、易于加工。

技術領域

本發(fā)明屬于電磁波全矢量傳輸調控器件技術領域，涉及基于人工微結構的超寬帶反射式太赫茲線極化/左、右旋圓極化器。

背景技術

太赫茲頻段(Terahertz,THz，頻率0.1-10THz，1THz＝1012Hz)的頻譜資源極其豐富，為10Gbps乃至100Gbps以上的無線傳輸提供了可能，太赫茲波束適中、無需精確對準，在合成孔徑成像(SAR)方面具有高分辨率、高幀速率和高穿透能力，因此太赫茲雷達技術和無線通信技術具有十分重要的應用前景。

傳統(tǒng)的電磁材料及其制備的傳輸功能器件難以滿足太赫茲應用器件要求，而人工電磁材料(Metamaterials-MMTs)可以突破自然界已有材料的介電常數和磁導率變化自由度的限制，在調控電磁波方面展現出巨大的應用潛力。

電磁超材料(Metamaterials-MMTs)是一種由具有特定幾何形狀的亞波長基本單元周期性或非周期性陣列所構成的人工電磁材料。通過合理地設計單元結構和尺寸可以改變材料的電磁特性，從而實現對電磁波的有效調控。

手征超表面(Chiral Metasurface)是一種具有超薄亞波長厚度的二維平面超材料，利用超表面等離子激元與太赫茲波的電磁耦合和隧道效應引起的不對稱傳輸特性,能夠實現超強的旋光性、圓二色性和非對稱透射，是一種手征介質的全新原理。與傳統(tǒng)手征材料相比，手征超表面具有高旋光性、非對稱透射、Casimir 斥力、不需外加磁場和高度集成化的優(yōu)勢。手征超表面對不同電磁波模式呈現出負折射/負反射、雙折射、極化旋轉和非對稱透射等現象，能夠對電磁波的相位、振幅、極化方式、傳播模式進行高效調控，對實現具有綜合調制功能的高集成度太赫茲調制器件具有重要的應用價值。

在超表面材料中引入結構不對稱性、結構參數差異等將獲得明顯的交叉耦合效應和非對稱傳輸特性，該特性對于研制吸波器、調制器、極化器等具有重要意義。手征超表面在雷達、成像、通信等領域中具有廣闊的應用前景，是太赫茲的熱點研究領域之一。

該反射式超表面可以對線極化輸入模式實現超寬帶(相對帶寬>99％)、高效率(帶內90度極化效率>75％，最高轉換效率>98％)的反射波90度極化旋轉，同時對左旋和右旋圓極化波具有很高的轉換效率和圓單色性，圓極化相位誤差<3 度。其工作原理是基于表面等離子體波電磁交叉耦合機理和上下層金屬結構間的法布里-珀羅腔(Fabry Perotinterferometer-FP)干涉效應。這種新型的反射式超材料極化器具有以下獨特的優(yōu)勢，包括超寬的工作帶寬、高極化轉換效率、全頻帶內的相位均在負90度到正90度間交替變化，具有高圓單色性的LCP/RCP圓極化轉換。同時該極化轉換器僅為三層結構，即手征金屬結構層、介質層和金屬反射板層，在滿足F-P諧振條件下的介質基底厚度的電長度可調，有效降低了太赫茲頻段到紅外頻段的超材料極化器件的加工難度和成本。通常此類反射式超表面極化器的帶寬小于95％，最高極化轉換效率小于90％，圓極化相位誤差>5度。此外此類反射式超表面極化器的介質基底厚度在1/10波長左右，本發(fā)明提出的極化器基底厚度可以達到1/6波長左右，水平和垂直方向的周期電長度約為1/2波長，可以采用常規(guī)的光刻工藝制造，有效提高了在太赫茲到紅外頻段調控器件中的應用性。