CN211265718U

CN211265718U - 基于vo2的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件

Info

Publication number: CN211265718U
Application number: CN201921831563.XU
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 孙汤毅; 杨彤; 李昱芃
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2029-10-29

Abstract

本实用新型公开了一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其结构自上而下依次为顶层的开槽圆形金属贴片，第二层的介质板，第三层的开槽圆形VO₂谐振单元，第四层的介质板，第五层的4“T”旋转对称VO₂谐振单元，第六层的介质板和底层的金属反射板。利用VO₂的温控可调性，在低温状态即T≤68℃时(VO₂谐振单元表现为介质特性，电导率σ＝1×10⁵S/m)，顶层的金单元结构实现极化转换，其工作频带为0.705～1.407THz；在高温状态即T≥68℃时(VO₂谐振单元表现为为金属特性，电导率σ＝0.02S/m)，VO₂谐振单元部分起极化相消的作用，整体结构实现吸波功能，其工作频带为0.680～0.954THz，是一款双功能可调控器件。本实用新型具有设计灵活、功能性强、介质基板薄等特点。

Description

基于VO2的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件

技术领域

本实用新型涉及一种可调控的多功能器件，尤其是一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，属于太赫兹波段器件技术领域。

背景技术

二氧化钒(VO₂)薄膜是一种具有绝缘体-金属相变特性的金属氧化物，在光、热或者应力的作用下可由绝缘体态转变为金属态。伴随着相的转变，VO₂薄膜物理性质也会发生可逆性突变。目前，基于VO₂薄膜相变原理制成的超材料已经被应用在智能窗、微测辐射热计和光调制器等器件上。但是至今为止，VO₂薄膜用于可调谐超材料吸波体的研究很少。

超材料是一种周期性排列的人工设计的材料，可通过材料的有效介电常数和磁导率来描述。由于太赫兹吸波更具有实际应用价值，在实现微波段吸波后不久便实现了在太赫兹频段的吸波。超材料吸波器将来的发展方向是克服存在的各种问题，与诸如通信器件、电机电器等设备结合起来，设计出小型化、多功能化、低成本并能大面积生产的超材料吸波器，满足实际应用方面的多样化需求。超材料吸波器在偏振片、探测器、隐身、表面热发射器等很多方面有重要应用，尤其在太赫兹探测、太阳能收集方面的应用，将对经济和环境带来双重收获。

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VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，通过改变温度的形式，可以改变VO₂的形态和功能从而使得该超表面的功能可以在线-线极化转换器和吸波器之间切换。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，包括自上而下依次层叠的开槽圆形金属贴片、第一层介质板、开槽圆形VO2谐振单元，第二层介质板、旋转对称VO₂谐振单元、第三层介质板及金属反射板；

所述开槽圆形金属贴片置于顶层，其表面沿圆形的右下角开有第一条缝，并沿圆形的左上角对称开有第二、第三条缝，所述开槽圆形VO₂谐振单元是由顶层的开槽圆形贴片旋转90°而成，所述旋转对称VO₂谐振单元由分布于第三层介质板中心的中心方形VO₂单元及第三层介质板四角的方形VO₂单元组成。

通过改变温度的形式，可以改变VO₂的形态和功能从而使得该超表面的功能可以在线-线极化转换器和吸波器之间切换，在低温状态即T≤68℃时(VO₂谐振单元表现为介质特性，电导率σ＝1×105S/m)，该超表面为极化转换器，工作频带为 0.705～1.407THz，相对带宽为66.477％；在高温状态即T≥68℃时(VO₂谐振单元表现为为金属特性，电导率σ＝0.02S/m)，该超表面为吸波器，吸收频带为 0.680～0.954THz，相对带宽为33.537％。

进一步的，所述开槽圆形贴片由一个半径r1＝25um的圆形从右下角沿135°在圆中心轴处开有第一条缝，从左上角沿-45°在圆的另外两个四等分线处开第二、第三条缝。

进一步的，所述的一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于，所述第一条缝的缝宽为w1＝5um，缝长超过圆45°处对角线的距离为 a＝15um；所述第二、第三条缝的缝宽w2＝3um，缝长超过圆45°处对角线的距离为 b＝10um。

进一步的，所述旋转对称VO₂谐振单元是由一个中心方形VO₂单元和四个角落处的方形VO2单元组成，所述中心方形VO2单元是由在一个边长为5/9*p(p＝60um)的正方形的表面上开4个绕中心旋转对称的T形槽构成；所述T形槽的臂长为 5/9*l1(l1＝28um)，其宽度为5/9*l2(l2＝6um)，中间的线宽为5/9*t3(t3＝4um)；所述四个角落处的方形VO2单元是由中心方形VO2单元按比例系数9/20缩放而成。

进一步的，所述的第一、二、三层介质板的材料为Rogers RO4003C，介电常数2，损耗角正切值0.0027，介质基板边长p＝60um，所述的第一、二层介质板的厚度 t1＝1um，所述第三层介质板的厚度t2＝28um。

进一步的，所述顶层的开槽圆形金属贴片材料为金，其厚度为h＝0.2um。

进一步的，所述开槽圆形VO2谐振单元和旋转对称VO₂谐振单元材料均为VO₂，在低温状态即T≤68℃时，VO₂电导率σ＝1×105S/m；在高温状态即T≥68℃时，VO₂电导率σ＝0.02S/m，所述开槽圆形VO₂谐振单元和旋转对称VO₂谐振单元厚度均为h＝0.2um。

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)本实用新型是一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，创新的运用VO2的温度可调性，改变VO₂的形态和功能从而使得该超表面的功能可以在线-线极化转换器和吸波器之间切换，在低温状态时，该超表面为极化转换器；在高温状态时，该超表面为吸波器。

(2)本实用是一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，具有设计灵活、功能性强、介质基板薄等优点。

附图说明

图1为本实用新型中顶层金属贴片谐振单元的俯视图。

图2为本实用新型中开槽圆形VO₂谐振单元的俯视图。

图3为本实用新型中旋转对称VO₂谐振单元的俯视图。

图4为本实用新型的侧视图。

图5为本实用新型的立体图。

图6为本实用新型的结构单元周期性阵列图(3×3)。

图7为本实用新型在低温状态即T≤68℃时的相位振幅值曲线(uov模式)。

图8为本实用新型在低温状态即T≤68℃时的反射相位差曲线(uov模式)。

图9为本实用新型在低温状态即T≤68℃时的反射系数曲线(xoy模式)。

图10为本实用新型在低温状态即T≤68℃时的极化转换率曲线(xoy模式)。

图11为本实用新型在高温状态即T≥68℃的吸收率曲线(xoy模式)。

附图标记解释：1—开槽圆形金属贴片，2—第一层介质板，3—开槽圆形VO₂谐振单元，4—第二层介质板，5—旋转对称VO₂谐振单元，6—第三层介质板，7—金属反射板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的阐述：

本实用新型一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其结构包括由上往下依次布置的置于顶层的开槽圆形金属贴片1，第一层介质板2，第三层的开槽圆形VO₂谐振单元3，第二层介质板4，第五层的旋转对称VO₂谐振单元5，第三层介质板6和底层的金属反射板7，其顶层金属贴片谐振单元、开槽圆形VO₂谐振单元及旋转对称VO₂谐振单元的俯视图分别如图1、2、3所示。该超表面双功能器件的侧视图和立体图分别如图4、5所示。一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件由单元结构周期性排列而成，其3×3阵列图如图6所示。

该超表面双功能器件运用VO₂的温度可调性，改变VO₂的形态和功能从而使得该超表面的功能可以在线-线极化转换器和吸波器之间切换，在低温状态时，该超表面为极化转换器；在高温状态时，该超表面为吸波器。

本实用新型一种基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件的产生方法，当VO₂处于低温状态T≤68℃时，VO₂谐振单元表现为介质特性。此时，电场沿x轴入射的线极化波垂直入射，线-线极化转换由顶层的开槽圆形金属贴片1作用产生。当VO₂处于高温状态即T≥68℃时，VO₂谐振单元表现为金属特性。此时，第三层的VO₂谐振单元部分起极化相消的作用，吸波功能由开槽圆形VO₂谐振单元 3和4“T”旋转对称VO₂谐振单元5实现。

该超表面双功能器件的第二、第三、第六层的介质层的材料为Rogers RO4003C，介电常数2，损耗角正切值0.0027。

该超表面双功能器件相关参数如表1所示。

参数	r<sub>1</sub>	w<sub>1</sub>	a	w<sub>2</sub>
					值(um)	25	5	15	3
参数	b	p	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>
					值(um)	10	60	28	6
参数	t<sub>3</sub>	t<sub>1</sub>	t<sub>2</sub>	h
					值(um)	4	1	28	0.2

表1

如图7所示，是该超表面双功能器件在低温状态即T≤68℃时的相位振幅值曲线(uov模式)。为了更加方便地解释极化转换器的工作原理，我们将xoy坐标系顺时针旋转45度，得到uov坐标系(如图1左下角所示)。相应地，我们将反射系数定义为r_uu和r_vv。

是对应的反射相位。此外，相位差可以通过

来计算。为了获得交叉极化波，必须满足r_uu≈r_vv。图7中，在极化转换的工作频段即 0.705～1.407THz内，两个幅值基本相等。

如图8所示，是该超表面双功能器件在低温状态即T≤68℃时的反射相位差曲线(uov模式)。为了实现完全垂直偏振旋转，必须确保相位差

图8中，在极化转换的工作频段即0.705～1.407THz内，相位差在±180°上下徘徊，基本实现从线极化波到交叉极化波的转换。

如图9所示，是该超表面双功能器件在低温状态即T≤68℃时的反射系数曲线(xoy模式)。如图10所示，是该超表面双功能器件在低温状态即T≤68℃时的极化转换率曲线(xoy模式)。线偏振波的线极化反射系数和交叉极化反射系数分别定义为r_xx和r_yx，其中下标x和y代表电磁波的偏振方向。我们定义极化转换率PCR＝r_yx ²/(r_xx ²+r_yx ²)。图9中有三个最小值点，分别在0.743、0.908和1.269THz。在这三个谐振点上，r_xx接近0，而r_yx达到最大值，这意味着x方向的入射波几乎完全转换成y方向的极化波。图10中，PCR在工作频段0.705～1.407THz内大于0.9，基本实现从线极化波到交叉极化波的转换。

如图11所示，是该超表面双功能器件的在高温状态即T≥68℃的吸收率曲线(xoy模式)。当VO₂处于高温状态即T≥68℃时，VO₂谐振单元表现为金属特性。此时，第三层的VO₂谐振单元起极化相消的作用，整体结构实现吸波功能。由吸收率公式 A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，其中R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率。图11中，实线和虚线分别是TE模式和TM模式下的吸收曲线，可以看出TE和TM模式下的吸收曲线基本相同，在吸收的工作频带即0.680～0.954THz内，吸收率大于90％，相对带宽为 33.537％。

在经过特定设计后，本实用新型通过改变温度的形式，可以改变VO₂的形态和功能从而使得该超表面的功能可以在线-线极化转换器和吸波器之间切换，在低温状态即T≤68℃时该超表面为极化转换器；在高温状态即T≥68℃时，该超表面为吸波器。本实用新型具有设计灵活、功能性强、介质基板薄等特点。

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

1.基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于：包括自上而下依次层叠的开槽圆形金属贴片、第一层介质板、开槽圆形VO₂谐振单元，第二层介质板、旋转对称VO₂谐振单元、第三层介质板及金属反射板；

2.根据权利要求1所述的基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于：所述开槽圆形贴片由一个半径r₁＝25um的圆形从右下角沿135°在圆中心轴处开有第一条缝，从左上角沿-45°在圆的另外两个四等分线处开第二、第三条缝。

3.根据权利要求2所述的基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于：所述第一条缝的缝宽为w₁＝5um，缝长超过圆45°处对角线的距离为a＝15um；所述第二、第三条缝的缝宽w₂＝3um，缝长超过圆45°处对角线的距离为b＝10um。

4.根据权利要求1所述的基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于：所述旋转对称VO₂谐振单元是由一个中心方形VO₂单元和四个角落处的方形VO₂单元组成，所述中心方形VO₂单元是由在一个边长为5/9*p，p＝60um的正方形的表面上开4个绕中心旋转对称的T形槽构成；所述T形槽的臂长为5/9*l₁，l₁＝28um，其宽度为5/9*l₂，l₂＝6um，中间的线宽为5/9*t₃，t₃＝4um；所述四个角落处的方形VO₂单元是由中心方形VO₂单元按比例系数9/20缩放而成。

5.根据权利要求1所述的基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于，所述的第一、二、三层介质板的材料为Rogers RO4003C，介电常数2，损耗角正切值0.0027，介质基板边长p＝60um，所述的第一、二层介质板的厚度t₁＝1um，所述第三层介质板的厚度t₂＝28um。

6.根据权利要求1所述的基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于：所述开槽圆形金属贴片材料为金，其厚度为h＝0.2um。

7.根据权利要求1所述的基于VO₂的实现极化转换和吸波的超表面双功能器件，其特征在于，所述开槽圆形VO₂谐振单元和旋转对称VO₂谐振单元材料均为VO₂，在低温状态即T≤68℃时，VO₂电导率σ＝1×10⁵S/m；在高温状态即T≥68℃时，VO₂电导率σ＝0.02S/m，所述开槽圆形VO₂谐振单元和旋转对称VO₂谐振单元厚度均为h＝0.2um。