[发明专利]双开口谐振环阵列超表面太赫兹多谐振反射式极化器

说明书

双开口谐振环阵列超表面太赫兹多谐振反射式极化器，属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，本发明包括衬底介质基片、按N×N阵列方式设置于衬底介质基片上表面的金属谐振单元、设置于衬底介质基片下表面的金属反射层，其特征在于：所述金属谐振单元为正方形的金属环，在正方形相对的两条边上设置有开口，开口处的边缘与正方形的一个边垂直；正方形的边与阵列的行线成45°夹角，所述金属谐振单元为旋转对称，对称中心为正方形的中心；N为整数，N≥30。本发明极化转换效率高、插入损耗小、圆极化相差小、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工。

技术领域

本发明属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，涉及的是基于人工微结构的超宽带反射式太赫兹线极化/圆极化器。

背景技术

太赫兹频段(Terahertz,THz，频率0.1-10THz，1THz＝1012Hz)的频谱资源极其丰富，为10Gbps乃至100Gbps以上的无线传输提供了可能，太赫兹波束适中、无需精确对准，在合成孔径成像(SAR)方面具有高分辨率、高帧速率和高穿透能力，因此太赫兹雷达技术和无线通信技术具有十分重要的应用前景。

传统的电磁材料及其制备的传输功能器件难以满足太赫兹应用器件要求，而人工电磁材料(Metamaterials-MMTs)可以突破自然界已有材料的介电常数和磁导率变化自由度的限制，在调控电磁波方面展现出巨大的应用潜力。

电磁超材料(Metamaterials-MMTs)是一种由具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性或非周期性阵列所构成的人工电磁材料。通过合理地设计单元结构和尺寸可以改变材料的电磁特性，从而实现对电磁波的有效调控。

在超表面材料中引入结构不对称性、结构参数差异等将获得明显的交叉耦合效应和非对称传输特性，该特性对于研制吸波器、调制器、极化器等具有重要意义。超表面在雷达、成像、通信等领域中具有广阔的应用前景，是太赫兹的热点研究领域之一。

该反射式超表面可以对线极化输入模式实现多谐振(四线极化谐振点，五圆极化谐振点)、高效率(最高转换效率>99％)的反射波90度极化旋转，同时对左旋和右旋圆极化波具有很高的转换效率，圆极化相位误差小。其工作原理是基于表面等离子体波电磁交叉耦合机理。这种新型的反射式超材料极化器具有以下独特的优势，包括多谐振线极化和圆极化点、高极化转换效率、全频带内的相位均在负90度到正90度间交替变化。同时该极化转换器仅为三层结构，即金属谐振环结构层、介质层和金属反射板层，在实现多谐振的同时，适当调节衬底介质层厚度达到满足法布里-珀罗腔(Fabry Perot interferometer-FP)干涉效应时可以实现宽带极化的效果。

极化器是电磁学和光学领域中极为重要的无源器件，能够有效实现电磁波极化状态的调控。基于衍射光学原理的传统光学元件由于体积较大，难以满足太赫兹无线通信和高分辨成像系统的高集成度要求。本发明基于双开口谐振环阵列的超表面太赫兹反射式极化器，具有高旋光度、高极化转换效率和负折射率特性，极大地拓展了此类极化器件在太赫兹扫描天线、成像、传感、通信调制和检测等系统的应用前景。

2015年4月华中师范大学的Jiaxin Zhao等人Microwave and Opticaltechnology letters上发表文章，给出了一种基于L型结构的C波段到Ku波段的多谐振反射式极化器。该极化器所采用的双L型结构相互嵌套，在垂直和水平方向上均为非对称结构。该极化器可以将入射的线极化波转换90°旋转的线极化波和左/右旋圆极化波。该极化器在线极化90°旋转有五个谐振峰，极化转换效率分别为98.2％,98.5％,98.8％,93.4％,和71.0％，在线极化到圆极化转换时，有六个谐振峰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多谐振、极化转换效率高、插入损耗小、圆极化相差小、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工的超表面太赫兹反射式极化器。