CN208674379U - 一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，包括底层反射板及其上方的介质基板，所述介质基板的上方设有四个形状相同的二氧化钒谐振单元，所述二氧化钒谐振单元沿介质基板的四角布置，且对角排列的两个二氧化钒谐振单元尺寸相同，厚度均为1μm。本实用新型利用二氧化钒的相变特性，通过温度控制二氧化钒的电导率，以此实现对该吸波器的动态调谐。该吸波器具有易于加工、可温控调节、设计灵活等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种吸波器，尤其是一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，属于无线电通信、THz器件领域。
背景技术
电磁超材料是指通过人工设计手段构建的具有超常物理特性如负折射现象、逆多普勒效应等的亚波长结构。利用电磁超材料对电磁波的损耗设计的吸波器，与传统吸波器相比较，具有结构简单、吸收频率可调、吸收性能好等优点，在隐身技术、成像、雷达等多个领域得到应用。
太赫兹波是指频率在0.1-10THz之间的电磁波，其波长介于微波和红外之间，具有穿透性强、能量低、信噪比高等特性。由于太赫兹波在电磁频谱中的特殊位置和其特殊性质，太赫兹吸波器引起了众多学者的研究兴趣，而频带过窄、适应性差作为一直以来限制吸波器应用的重要因素，使得可调谐宽频带吸波器受到广泛关注。目前，拓宽频带的方法主要有增加谐振单元数量、多层堆叠结构、加载集总元件、电阻型涂覆材料等方式。实现可调谐性的方法主要是引入特殊材料或元器件，通过改变温度、光强、电场等外部条件对吸波器性能进行调控。二氧化钒是一种室温相变材料，其相变温度为68℃，在绝缘体到金属的过程中，其电导率迅速增大，且电导率的突变是可逆的。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，通过外部温控转换二氧化钒谐振单元的介质、金属状态，从而达到对吸波器在特定频率区域范围内吸收率的调控的目的。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，包括底层反射板及其上方的介质基板，所述介质基板的上方设有四个形状相同的二氧化钒谐振单元，所述二氧化钒谐振单元沿介质基板的四角布置，且对角排列的两个二氧化钒谐振单元尺寸相同，厚度均为1μm。
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为四个顶角相对的扇形谐振单元构成的圆形结构，所述扇形谐振单元包括一个1/4圆环形结构构成的扇形弧边、一个L形结构构成的扇形侧边，所述扇形谐振单元沿中心线设有一个长方形宽条。
进一步的，左上方及右下方的二氧化钒谐振单元中，1/4圆环形结构的外径为10μm，内径为8μm，L形结构宽度为0.75μm，长方形条宽度为3μm，右上方及左下方的二氧化钒谐振单元中，1/4圆环的外径为13μm，内径为10μm，L形结构宽度为1μm，长方形条宽度为4μm。
进一步的，四个扇形谐振单元以圆心为中心呈中心对称。
进一步的，所述二氧化钒谐振单元的中心位于介质基板两对角线1/4处。
进一步的，所述二氧化钒谐振单元具有两种状态，低温状态即T＜68℃和高温状态即T≥68℃；当处于低温状态时，所述二氧化钒谐振单元表现为介质特性，所述二氧化钒谐振单元处于高温状态时，表现为金属特性。
进一步的，所述介质基板材料为有耗的聚酰亚胺，边长为60μm，厚度为3.5μm。
进一步的，所述底层反射板为金属反射板，其材料为金，厚度为0.1μm。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本实用新型是基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，通过外界温控对二氧化钒谐振单元的状态进行调控，使其在太赫兹波段的特定频率区域范围的吸收率可调，当电磁波入射时，通过温度调控获得可调谐的吸收频谱。
(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宽带吸收，具有通俗易加工，可温度调控，设计灵活，功能性强等特点。
附图说明
图1为本实用新型的结构单元图。
图2为本实用新型的结构单元阵列(3×3)图。
图3为本实用新型的结构单元正视图。
图4为本实用新型的结构单元侧视图。
图5为本实用新型在TE模式电磁波垂直入射时的吸收曲线。
图6为本实用新型在TM模式电磁波垂直入射时的吸收曲线。
附图标记解释：1、2、3、4—二氧化钒谐振单元，5—介质基板，6—金属反射板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，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，从而达到在太赫兹波段特定频率区域范围吸收率可调的目的，该吸波器由结构单元周期排列而成。其结构单元包括底层金属反射板6、介质基板5以及二氧化钒谐振单元1、2、3、4。
所述的谐振单元由二氧化钒构成，通过对外部温度的控制转换二氧化钒谐振单元的状态，在低温即T＜68℃时，二氧化钒谐振单元表现为介质特性，此时其电导率为0.74s/m,在高温即T≥68℃时，二氧化钒谐振单元表现为金属特性，此时其电导率为150000s/m。
所述的介质基板5材料为有耗的聚酰亚胺。
所述的金属反射板6，材料是金。
所述的基于电磁超材料的宽频带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不敏感的，电磁波垂直入射时，高温、低温状态下吸收效果的差异是由于二氧化钒谐振单元在高温下呈现金属特性、在低温下呈现介质特性引起的。两种状态相比较，高温状态时，该吸波器的吸收效果更好。
该吸波器的反射板，在不同频段所用反射板不同，如在微波波段反射面可用全金属板，如铜、铝等；而在太赫兹及光波以上频段，反射板可采用多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。
该吸波器，其介质基板还可以为人工合成的具有特定特性的介质，如通过溶液配比的方法得到的凝胶型(柔性)介质，再与柔性基板相结合可以用于共形实现宽频吸收。
所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器能够实现较好的吸波性能同时，通过温控的方式实现吸收频率的可调谐。
一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，由若干个谐振单元周期排列而成。其结构单元如图3所示，底层是完整的金属板，用于全反射，厚度h1为0.1μm，介质基板5边长p为60μm、厚度h2为3.5μm，二氧化钒谐振单元1、2、3、4厚度h3为1μm,其形状相同，均为橙子形，其中心位于介质基板两对角线1/4处，每个橙子形谐振单元由四个中心对称的扇形谐振单元构成，所述扇形谐振单元由一个1/4圆环谐振单元、一个“L”形结构谐振单元以及一个长方形谐振单元构成，1/4圆环与“L”形结构围成一个扇形封闭图形，其间的长方形谐振单元将其等分。如图1所示，对角排列的二氧化钒谐振单元1与2、3与4尺寸相同。谐振单元1与2中，1/4圆环谐振单元的外径r3为10μm，内径r4为8μm，“L”形结构谐振单元的宽度c为0.75μm，长度f为9.25μm，长方形谐振单元宽度d为3μm，谐振单元3与4中，1/4圆环谐振单元的外径r1为13μm，内径r2为10μm，“L”形结构谐振单元的宽度a为1μm，长度e为12μm，长方形谐振单元宽度b为4μm。具体参数见表1。
| 参数 | a | b | c | d | e |
| 值(μm) | 1 | 4 | 0.75 | 3 | 12 |
| 参数 | f | r<sub>1</sub> | r<sub>2</sub> | r<sub>3</sub> | r<sub>4</sub> |
| 值(μm) | 9.25 | 13 | 10 | 10 | 8 |
| 参数 | p | h<sub>1</sub> | h<sub>2</sub> | h<sub>3</sub> | |
| 值(μm) | 60 | 0.1 | 3.5 | 1 |
表1
如图5、6所示，是该吸波器在TE、TM模式下工作的吸收曲线，两条曲线基本重合，所以该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的。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)。图5是TE模式下吸波器的吸收曲线，高温状态下(T≥68℃)，在频率4.29THz到5.52THz范围内，该吸波器的吸收率在90％以上，其吸收峰值分别为98.6％、99.9％和94.1％，分别位于4.56THz、5.16THz和9.12THz。低温状态下(T＜68℃),在0.1THz到10THz频率范围内，其吸收率低于4.2％，入射波损耗极小。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，实现对该吸波器工作频率的可调控性。
在经过特定设计(温度控制)后，本实用新型的工作频率能够覆盖整个太赫兹波段。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，本实用新型具有通俗易加工，可温度调控，设计灵活，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和范围的前提下，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 (8)
1.一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：包括底层反射板及其上方的介质基板，所述介质基板的上方设有四个形状相同的二氧化钒谐振单元，所述二氧化钒谐振单元沿介质基板的四角布置，且对角排列的两个二氧化钒谐振单元尺寸相同，厚度均为1μm。
2.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元为四个顶角相对的扇形谐振单元构成的圆形结构，所述扇形谐振单元包括一个1/4圆环形结构构成的扇形弧边、一个L形结构构成的扇形侧边，所述扇形谐振单元沿中心线设有一个长方形宽条。
3.根据权利要求2所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：左上方及右下方的二氧化钒谐振单元中，1/4圆环形结构的外径为10μm，内径为8μm，L形结构宽度为0.75μm，长方形条宽度为3μm，右上方及左下方的二氧化钒谐振单元中，1/4圆环的外径为13μm，内径为10μm，L形结构宽度为1μm，长方形条宽度为4μm。
4.根据权利要求2所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：四个扇形谐振单元以圆心为中心呈中心对称。
5.根据权利要求2所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元的中心位于介质基板两对角线1/4处。
6.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元具有两种状态，低温状态即T＜68℃和高温状态即T≥68℃；
当处于低温状态时，所述二氧化钒谐振单元表现为介质特性，所述二氧化钒谐振单元处于高温状态时，表现为金属特性。
7.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述介质基板材料为有耗的聚酰亚胺，边长为60μm，厚度为3.5μm。
8.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述底层反射板为金属反射板，其材料为金，厚度为0.1μm。
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