CN109856825B - 一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器 - Google Patents
一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器。该调制器包括多个调制单元，所述调制单元包括上层介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板和所述下层介质基板中间注有液晶层；所述上层介质基板的下表面和所述下层介质基板的上表面分别对应设置有相同的金属谐振单元；在所述金属谐振单元上施加偏转电压。通过在金属谐振单元上施加偏转电压，使得在相应的金属谐振单元覆盖区域下的液晶层形成偏置电场，并在偏置电场的作用下，使该区域下的液晶分子取向发生变化，从而改变该区域下的液晶分子介电常数，进而改变金属谐振单元的谐振频率，进一步增加调制深度同时减小***损耗。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波传输控制技术领域，特别是涉及一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器。
背景技术
超材料是一种人为构造的新型结构材料，具有天然材料所不具备的超常电磁特性，为操控电磁波提供了一种新的途径。超材料调制器作为超材料的一个重要应用领域，得到了世界各国研究者的广泛关注。传统的超材料调制器的谐振频率通常为固定值，加工完成后难以更改。近年来，研究人员在频率可调超材料调制器方向进行了大量研究，利用石墨烯，二氧化钒，半导体等材料实现了谐振频率的调节，此外，液晶等具有双折射效应的材料也被应用于频率可调超材料调制器的设计。但目前频率可调超材料调制器存在的主要问题是调制深度较小，***损耗较大，因此大大限制了该类器件的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较大的调制深度和较小***损耗的基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，包括多个调制单元，所述调制单元包括上层介质基板和下层介质基板，
所述上层介质基板和所述下层介质基板中间注有液晶层；
所述上层介质基板的下表面和所述下层介质基板的上表面分别对应设置有相同的金属谐振单元；
在所述金属谐振单元上施加偏转电压。
可选的，所述金属谐振单元为二维亚波长金属贴片形成的金属电极。
可选的，所述二维亚波长金属贴片包括一个方形金属贴片和一个圆形金属贴片；
所述方形金属贴片中间为一个半径为R2的圆孔，
所述圆形金属贴片的半径为R1，且R1<R2；
所述圆形金属贴片位于所述方形金属贴片的所述圆孔位置，并在所述圆形金属贴片的外边缘沿轴向均匀设置有多个金属片，通过所述金属片与所述方形金属贴片相连，形成一个整体。
可选的，所述上层介质基板和所述下层介质基板为形状大小相同的长方体结构，并且所述上层介质基板的下表面外边缘和所述下层介质基板的上表面外边缘与所述方形金属贴片的外边缘形状大小相匹配。
可选的，多个所述调制单元在一个平面内排成多行多列；
相邻的所述上层介质基板上的所述金属电极紧密接触；
相邻的所述下层介质基板上的所述金属电极紧密接触。
可选的，所述液晶层采用向列型液晶材料，介电常数变化范围为2.547-3.65。
可选的，所述上层介质基板与所述下层介质基板的外表面边缘采用环氧树脂进行密封。
可选的，所述液晶层的上、下表面分别用聚酰亚胺膜定向。
可选的，所述上层介质基板和所述下层介质基板均采用石英材料。
可选的，所述金属谐振单元采用金属铜材质。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
在上、下两层介质基板上分别设置金属谐振单元，通过在金属谐振单元上施加偏转电压，使得在相应的金属谐振单元覆盖区域下的液晶层形成偏置电场，并在偏置电场的作用下，使该区域下的液晶分子取向发生变化，从而改变该区域下的液晶分子介电常数，进而改变金属谐振单元的谐振频率，进一步增加调制深度同时减小***损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的调制单元三维结构示意图；
图2为本发明的调制单元结构主视图；
图3为本发明的二维亚波长金属贴片结构图；
图4为本发明在上、下两层金属电极上施加偏转电压时，不同液晶介电常数下的垂直入射透射率仿真结果图；
图5为本发明在不同入射角度的斜入射波下，283.91GHz处的透射率和液晶介电常数的关系仿真结果图；
图6为本发明在上、下两层金属电极上施加偏转电压时，不同偏转电压下的垂直入射透射率测试结果图。
附图标记说明：
1-上层介质基板，2-下层介质基板，3-金属电极，4-液晶层，5-方形金属贴片，6-圆形金属贴片。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有较大的调制深度和较小***损耗的基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的调制单元三维结构示意图，图2为本发明的调制单元结构的主视图，如图1、图2所示，一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，包括多个调制单元，所述调制单元包括上层介质基板1和下层介质基板2，所述上层介质基板和所述下层介质基板中间注有液晶层4；所述上层介质基板1的下表面和所述下层介质基板2的上表面分别对应设置有相同的金属谐振单元；在所述金属谐振单元上施加偏转电压。
所述金属谐振单元为二维亚波长金属贴片形成的金属电极3。
设置所述上层介质基板1为长为P、宽为P、厚度为Hq的长方体结构，设置所述下层介质基板2也为长为P、宽为P、厚度为Hq的长方体结构，所述液晶层4的厚度为H1c，将液晶材料灌入介质基板之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在液晶层的上下表面用聚酰亚胺膜定向。
图3为本发明的二维亚波长金属贴片结构图，如图3所示，所述二维亚波长金属贴片包括一个方形金属贴片5和一个圆形金属贴片6；所述方形金属贴片5的长、宽均为P，且所述方形金属贴片5中间有一个半径为R2的圆孔，所述圆形金属贴片6的半径为R1，且R1<R2；所述圆形金属贴片6位于所述方形金属贴片5的所述圆孔位置，所述圆形金属贴片6和所述方形金属贴片5通过4个沿轴向依次相差90°的金属片连接，形成一个整体，所述金属片的宽度为W，所述二维亚波长金属贴片的厚度为t。
多个所述调制单元在一个平面内排成多行多列；
相邻的所述上层介质基板1上的所述金属电极3紧密接触；
相邻的所述下层介质基板2上的所述金属电极3紧密接触。
具体地，设置所述调制单元的尺寸P＝449μm，所述金属谐振单元的尺寸：R1＝182μm，R2＝206μm，w＝16μm。所述液晶层4的厚度H1c＝45μm，上层介质基板1和下层介质基板2的厚度均为Hq＝220μm，上、下层金属谐振单元的厚度均为t＝0.5μm。液晶层4中的液晶材料选用向列型液晶材料，介电常数变化范围：2.547-3.65，金属谐振单元均以金属铜为材质。介质基板采用石英材料，介电常数为3.78，损耗正切为0.02。
图4为通过软件仿真得到的本发明的基于双层金属微结构电极的透射式可调谐液晶调制器，分别在上、下两层金属电极3上施加电压，改变金属谐振单元覆盖区域下的液晶分子的取向，从而得到不同的液晶介电常数下的垂直入射透射率曲线。从图4中可以看出，液晶介电常数从2.547变化到3.65，谷值处的频率减小到283.91GHz，此时获得的最大调制深度为86.1％，对应的***损耗为0.72dB。
图5为通过仿真软件得到的在不同入射角度的斜入射波下，本发明的基于双层金属微结构电极的透射式可调谐液晶调制器在283.91GHz处的透射率和液晶介电常数的关系曲线。从图5中可以看出，在0°到30°的入射角度范围内，本发明的调制器在283.91GHz处的透射率随液晶介电常数单调线性变化，对入射电磁波仍能进行灵活有效的调制。
图6为通过实验得到的在上、下层介质基板上的金属电极3上施加偏转电压，改变金属谐振单元覆盖区域下的液晶分子的取向，从而得到不同的偏置电压下的垂直入射透射率曲线。从图6中可以看出，偏置电压从0V变化到4.8V，谷值处的频率减小到285.45GHz，频率调谐能力超过13.5％，在285.45GHz处的调制深度和***损耗分别为70.56％和1.9dB。
本发明的基于双层金属微结构电极的透射式可调谐液晶调制器，通过在上、下两层金属电极3上施加偏转电压，在相应的金属谐振单元覆盖区域下的液晶层4中形成偏置电场，在偏置电场的作用力下，该区域下的液晶分子的取向发生改变，从而改变此区域下的液晶分子的介电常数，进一步改变金属谐振单元的谐振频率。
另外，本发明的基于双层金属微结构电极的透射式可调谐液晶调制器，在低压驱动下，对入射电磁波能够实现大幅度调制深度并具有较低的***损耗；同时，对一定倾斜角度范围内的斜入射波仍能进行有效的调制。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，包括多个调制单元，所述调制单元包括上层介质基板和下层介质基板，
所述上层介质基板和所述下层介质基板中间注有液晶层；
所述上层介质基板的下表面和所述下层介质基板的上表面分别对应设置有相同的金属谐振单元；
在所述金属谐振单元上施加偏转电压；
所述金属谐振单元为二维亚波长金属贴片形成的金属电极；
所述二维亚波长金属贴片包括一个方形金属贴片和一个圆形金属贴片；
所述方形金属贴片中间为一个半径为R2的圆孔，
所述圆形金属贴片的半径为R1，且R1<R2；
所述圆形金属贴片位于所述方形金属贴片的所述圆孔位置，并在所述圆形金属贴片的外边缘沿轴向均匀设置有多个金属片，通过所述金属片与所述方形金属贴片相连，形成一个整体。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，所述上层介质基板和所述下层介质基板为形状大小相同的长方体结构，并且所述上层介质基板的下表面外边缘和所述下层介质基板的上表面外边缘与所述方形金属贴片的外边缘形状大小相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，多个所述调制单元在一个平面内排成多行多列；
相邻的所述上层介质基板上的所述金属电极紧密接触；
相邻的所述下层介质基板上的所述金属电极紧密接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，所述液晶层采用向列型液晶材料，介电常数变化范围为2.547-3.65。
5.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，所述上层介质基板与所述下层介质基板的外表面边缘采用环氧树脂进行密封。
6.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，所述液晶层的上、下表面分别用聚酰亚胺膜定向。
7.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，所述上层介质基板和所述下层介质基板均采用石英材料。
8.根据权利要求1所述的一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器，其特征在于，所述金属谐振单元采用金属铜材质。
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