CN109193169A - 一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器 - Google Patents

一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器 Download PDF

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潘武
沈大俊
闫彦君
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Abstract

本发明请求保护一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，该极化转换器由单元结构周期性排列而成，其中单元结构为典型的三层结构，从下到上依次为金属反射层、中间介质层和金属图案层；所述的金属图案层由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环构成。该基于开口谐振环的太赫兹极化转换器具有很强的实用性，能在太赫兹频段宽带范围内高效地将x极化波转换为y极化波，同时也能高效地将y极化波转换为x极化波，而且该极化转换器结构简单，便于加工。本发明所阐述的基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，适用于通信、成像、雷达等领域。

Description

一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器
技术领域
本发明属于太赫兹极化转换器技术，具体是一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器。
背景技术
太赫兹波的频率范围覆盖了0.1THz到10THz，介于红外和毫米波之间波谱范围的电磁波谱区域。与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有非常重要的特征，显示了巨大的应用潜力。例如，太赫兹具有较低的光子能量，对绝大多数生物组织不会产生有害的电离，适合于对生物组织进行活体检查。许多非金属、非极性材料对THz射线的吸收较小，具有高透性。因此结合相关技术，使得探测这些材料内部信息成为可能。此外，与光通信相比，THz波具有很好的穿透能力；与微波通信相比，方向性更好能实现10Gbit/s上的无线传输速率。随着科技的进步，太赫兹科学也越来越受到世界各国的关注，大量人力物力投入到了太赫兹科学的研究中。
电磁波极化是电场强度的矢端在空间固定点上随时间变化所描绘的轨迹。其轨迹有三种不同的形式：若矢端轨迹是一条直线，则该波为线极化波；若其矢端轨迹是圆，则该波为圆极化波；若矢端轨迹为椭圆，则该波为椭圆极化波。所以根据轨迹变化的不同可以将电磁波分为三种极化形式：线极化波、圆极化波和椭圆极化波。在实际工作中，根据需要人们经常会对电磁波的极化特征进行检测和改变其极化状态。因此，电磁波的极化在天线、通讯***、液晶显示***等领域有许多重要的应用。对于太赫兹极化状态的调控是太赫兹领域内非常重要的一项技术，不仅是具有极化依赖特性太赫兹功能器件的需求，也是太赫兹技术在显示、成像领域实现应用的必要前提，另一方面，太赫兹在未来无线通信领域内的编码及信息处理中的应用也必须解决对于太赫兹极化状态的调控。现有技术中极化转换器的工作带宽窄、极化转换率不高，本发明将双开口谐振环和单开口谐振环相结合，使得该极化转换器在宽的工作频带下，形成强烈的电磁谐振，从而提高了极化转换率。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高极化转换器的工作带宽窄、提高极化转换率的基于开口谐振环的太赫兹极化转换器。本发明的技术方案如下：
一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其所述极化转换器由在同一水平面内周期性排列的M×M个极化转换单元组成而成，其中极化转换单元结构为典型的三层结构，从下到上依次为金属反射层、中间介质层和金属图案层；金属反射层用于获得反射波，中间介质层用于和金属图案层组合对入射电磁波形成谐振，金属图案层(1)用于和中间介质层组合对入射电磁波形成谐振，所述的金属图案层由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环构成，所述双开口谐振圆环设置在单开口谐振圆环内，当入射电磁波从极化转换器上方垂直入射时，由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环构成极化转换单元对入射电磁波形成强烈的电磁谐振，双开口谐振圆环用于和单开口谐振环组合对入射电磁波进行极化状态的调控，单开口谐振圆环用于和双开口谐振环组合对入射电磁波进行极化状态的调控，从而改变了入射电磁波的极化状态。
进一步的，所述金属图案层是厚度为0.3μm，电导率为4.561×107S/m的金层，***单开口谐振环外环半径为35.5μm，内环半径为31.8μm，开口角度为105°；内部双开口谐振环外环半径为18μm，内环半径为13μm，开口间距为10μm，开口角度为90°。
进一步的，所述的金属反射层，是厚度为0.3μm，电导率为4.561×107S/m的金层。
进一步的，所述极化转换单元的横截面为正方形，其边长为80μm。
进一步的，所述的中间介质层为聚酰亚胺、石英晶体、罗杰斯系列中的一种。
进一步的，所述中间介质层的材料为石英晶体，介电常数为3.75，损耗正切为0.0004，其厚度为37μm。
进一步的，当入射波为x极化向-z轴方向传播的线极化波，其入射波的电场表达式为该入射波经过极化转换器后的反射波电场为当同极化反射系数rxx＝0时，Er表示反射波的电场强度， Eyi表示入射波电场在y方向的电场分量，ryx表示交叉极化反射系数，反射波的电场可以表示为即产生x极化线极化波像y极化的线极化波的极化转换，其中下标i,r表示入射波和反射波，定义极化转换率其中ryx表示交叉极化反射系数，rxx表示交叉极化反射系数。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的创新点是将双开口谐振环和单开口谐振环相结合，使得该极化转换器在宽的工作频带下，形成强烈的电磁谐振，从而提高了极化转换率。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例太赫兹极化转换器的三维单元结构示意图；
图2是本发明提出的太赫兹极化转换器的单元结构的俯视图；
图3是图1当x极化波入射时的同极化反射系数和交叉极化反射系数的仿真图；
图4是x极化线极化波入射时的极化转换率图；
图5是图1当y极化波入射时的同极化反射系数和交叉极化反射系数的仿真图；
图6是y极化线极化波入射时的极化转换率图；
图中：1.金属图案层；2.介质层；3.金属反射层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提供的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其结构如图1和图 2所示，由单元结构周期性排列而成，其中单元结构为典型的三层结构，从下到上依次为金属反射层3、中间介质层2和金属图案层1；所述的金属图案层由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环组成。
所述的金属图案层，是厚度为0.3μm，电导率为4.561×107S/m的金层，***单开口谐振环外环半径为35.5μm，内环半径为31.8μm，开口角度为105°；内部双开口谐振环外环半径为18μm，内环半径为13μm，开口间距为10μm，开口角度为90°。这些参数可以使得入射的太赫兹波在极化转换器上形成强烈的电磁谐振，实现高的极化转换率。
所述的金属反射层，是厚度为0.3μm，电导率为4.561×107S/m的金层。
所述的单元结构的的俯视图为正方形，其边长为80μm。
所述的中间介质层，材料为石英晶体，介电常数为3.75，损耗正切为0.0004，其厚度为37μm。
当入射太赫兹波从图1所示的极化转换器垂直入射时，由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环构成极化转换单元对入射电磁波形成强烈的电磁谐振，从而改变了入射电磁波的极化状态。当入射波为x极化向-z轴方向传播的线极化波，其入射波的电场表达式为
该入射波经过极化转换器后的反射波电场为从反射波电场表达式可以看出当同极化反射系数rxx＝0时，反射波的电场可以表示为即产生x极化线极化波像y极化的线极化波的极化转换，其中下标i,r表示入射波和反射波，定义极化转换率
如图3所示，在0.5264，0.7600，1.2144，1.5376THz处，交叉极化反射系数分别为0.996，1，1，0.990，这表明入射的x极化波几乎完全转换为y极化的反射波。
如图4所示，在0.501～1.390THz频带范围内极化转换率PCR>0.8，此时x极化的入射波经过极化转换器大部分转换为y极化的反射波。
如图5所示，在0.5296，0.7584，1.2128，1.5280THz处，交叉极化反射系数分别为0.934，0.975，0.968，0.901，这表明入射的y极化波几乎完全转换为x 极化的反射波。
如图6所示，在0.5008～1.5712THz频带范围内极化转换率PCR>0.8，此时y 极化的入射波经过极化转换器大部分转换为x极化的反射波。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，所述极化转换器由在同一水平面内周期性排列的M×M个极化转换单元组成，其中极化转换单元结构为典型的三层结构，从下到上依次为金属反射层(3)、中间介质层(2)和金属图案层(1)；金属反射层(3)用于获得反射波，中间介质层(2)用于和金属图案层组合对入射电磁波形成谐振，金属图案层(1)用于和中间介质层组合对入射电磁波形成谐振，所述的金属图案层(1)由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环构成，所述双开口谐振圆环设置在单开口谐振圆环内，当入射电磁波从极化转换器上方垂直入射时，由双开口谐振圆环和单开口谐振圆环构成极化转换单元对入射电磁波形成强烈的电磁谐振，双开口谐振圆环用于和单开口谐振环组合对入射电磁波进行极化状态的调控，单开口谐振圆环用于和双开口谐振环组合对入射电磁波进行极化状态的调控，从而改变了入射电磁波的极化状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，所述金属图案层(1)是厚度为0.3μm，电导率为4.561×107S/m的金层，***单开口谐振环外环半径为35.5μm，内环半径为31.8μm，开口角度为105°；内部双开口谐振环外环半径为18μm，内环半径为13μm，开口间距为10μm，开口角度为90°。
3.根据权利要求1所述的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，所述的金属反射层(3)，是厚度为0.3μm，电导率为4.561×107S/m的金层。
4.根据权利要求1所述的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，所述极化转换单元的横截面为正方形，其边长为80μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，所述的中间介质层(2)为聚酰亚胺、石英晶体、罗杰斯系列中的一种。
6.根据权利要求5所述的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，所述中间介质层(2)的材料为石英晶体，介电常数为3.75，损耗正切为0.0004，其厚度为37μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器，其特征在于，当入射波为x极化向-z轴方向传播的线极化波，其入射波的电场表达式为该入射波经过极化转换器后的反射波电场为当同极化反射系数rxx＝0时，Er表示反射波的电场强度，Eyi表示入射波电场在y方向的电场分量，ryx表示交叉极化反射系数，反射波的电场可以表示为即产生x极化线极化波像y极化的线极化波的极化转换，其中下标i,r表示入射波和反射波，定义极化转换率其中ryx表示交叉极化反射系数，rxx表示交叉极化反射系数。
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