基于复合超表面的太赫兹极化调控器件研究

发布时间：2020-03-22 16:20

【摘要】：人工电磁超表面(Metasurface)是一种人工亚波长尺度结构,由于其具有负折射率、完美透镜和隐身等光学性质而受到广泛的关注。通过在介质层分界面上设计不同的金属结构,由于分界面处相位不连续,电磁波在其上会产生异常折射和反射,进而可以按照人们的意愿进行调控电磁波。太赫兹波在成像、传感和通信方面显示出许多有前途的应用。高性能的极化调控器件对提高无线通信系统信道容量和抗干扰能力具有重要的意义,但目前在极化转换效率、带宽、极化调制性能、隔离度、插入损耗和集成度等方面仍无法满足太赫兹应用系统的要求。基于此背景,在本论文中,我们针对太赫兹应用系统的技术开发需求,通过对人工复合超表面结构的研究,设计了反射式和宽带透射式极化转化器件。研究了超薄人工微结构与相移材料结合的电磁耦合和电磁奇异特性调控机制,利用手性超材料与相移材料二氧化钒(VO_2)的结合,设计了一种太赫兹频段反射式和透射式极化调控器件,实现了动态调控电磁波的极化转化。主要研究内容包括以下方面:(1)基于手征超表面结构的反射式静态极化转化器的设计。手征超表面的改进“SM”字型单元结构在0.4THz实现对线极化和圆极化波的极化方向90°转换,极化转化率均达到0.9以上,为太赫兹高速无线通信系统、高灵敏度检测系统、新体制雷达成像系统提供了信号控制的新机制。本论文还研究了人工微结构与相移材料二氧化钒的结合,设计了动态极化转化调控器件,具有极化状态调控范围宽、极化调制深度高、极化隔离度高和设计灵活的优势。(2)利用人工电磁超表面与VO_2相结合,完成了动态反射式极化调控器件和动态透射极化调控器件的设计,交叉极化调制深度达到了99.1%,通过温度控制其电导率实现动态控制极化转化的作用,所设计的结构具有极化状态调控范围宽、极化调制深度和隔离度高以及设计灵活的优势。将手征超表面微纳结构与新型相变材料相结合运用外加激励源控制器件折射率变化实现对入射太赫兹波的动态高效极化调控是本论文的创新点之一。利用对不同极化波折射率的动态控制实现极化调制和极化隔离是实现太赫兹信号传输控制的关键。(3)通过叠加多层超材料结构可以使工作频带拓宽,本文利用人工电磁超表面研究了宽带透射极化器件的极化转换特性,实现了0.18-0.32THz频率范围内,具有超过94%的透过率提高了透射型器件的偏振转换效率,拓宽带宽响应范围。
【图文】：

反射率曲线,平行极化,交叉极化,结构材料

例如保密通讯中，就要求电磁波的极化状态能够实时改变，以及电子对抗中，利用太赫兹波的极化选择是干扰和抗干扰的核心，我们可以通过水平极化波来抑制敌方的垂直极化波，也可以利用与敌方旋向相反的圆极化来抑制敌方的圆极化波干扰，因此，电磁波的极化选择具有非常重要的研究意义，也吸引了国内外很多科学家的关注。如图 1-1 所示的反射式宽带极化器，由 N. K. Grady 等人[8]利用金属短线人工结构材料设计而成，上层为实现极化作用的人工微结构，，下层是实现反射的金属地平面，中间的介质层把金属结构隔开，沿着 x 方向入射的线极化波入射到材料表面后，在金属切线处，激发了偶极子 P 振荡,将 P 分解为平行分量 PX和垂直分量PY。PX和入射的电场 E0一起贡献于共极化波，垂直分量 PY贡献于交叉极化波，如果单元结构中没有金属地，极化转化的效率会很低的，整体的反射波和透射波也会都变成椭圆极化波，正是由于金属地的作用，它和金属短线阵列形成了类Fabry-Pérot 腔，使得在 F-P 腔中形成多极化耦合干扰，增强了极化的效果。图 1-1(为该极化器的仿真和测试结果，从图中可以看出该极化转化器在 0.8THz-1.8TH频带范围内，实现了宽频带反射波极化状态的改变。

反射率曲线,平行极化,单元结构,交叉极化

图 1-2（a）单元结构图；（b）平行极化和交叉极化反射率曲线图[9]2016 年 zhang.et.al 提出一种十字交叉的结构[10]，实验证明了该极化转换器在8.1-13.8GHz 频率范围内，极化转化率超过 80%。由仿真结果和实验结果可以看到极化转化的效率和工作带宽还需进一步的提升。图 1-3 单元结构图以及仿真和实验结果图[10]上边所提及的均是反射型极化转化器，单元结构模式都是上层的人工微结构以及下层的金属地平面还有中间的介质层，从本质上讲，都是上层特殊的金属结
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441

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