基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器
阅读说明：本技术 基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器 (Graphene composite super-surface-based electromagnetic wave adjustable polarization converter ) 是由 杨锐 李佳成 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器,包括m×n个周期性排列的超表面单元,其中,m≥2,n≥2,所述超表面单元包括介质基板、谐振结构、石墨烯层和金属地板；所述谐振结构印制在介质基板上表面；所述石墨烯层加载于介质基板上下表面之间,该石墨烯层能够对谐振结构和金属地板之间的电磁耦合进行调控；本发明的极化转换器可调,能够实现正交线极化转换以及圆极化转换,且通过调整费米能级,能够实现对不同的极化转换进行调控,调控方式简单的特点,可用于太赫兹通信与雷达探测系统。(The invention provides an electromagnetic wave tunable polarization converter based on a graphene composite super surface, which comprises mxn periodically arranged super surface units, wherein m is more than or equal to 2, n is more than or equal to 2, and each super surface unit comprises a dielectric substrate, a resonance structure, a graphene layer and a metal floor; the resonance structure is printed on the upper surface of the dielectric substrate; the graphene layer is loaded between the upper surface and the lower surface of the medium substrate, and can regulate and control the electromagnetic coupling between the resonant structure and the metal floor; the polarization converter is adjustable, orthogonal linear polarization conversion and circular polarization conversion can be achieved, different polarization conversion can be regulated and controlled by adjusting the Fermi energy level, the regulation and control mode is simple, and the polarization converter can be used for terahertz communication and radar detection systems.)
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，特别涉及了一种基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器，可用于太赫兹通信与雷达探测系统。
技术背景
电磁波的极化是其基本特征之一，按种类可分为线极化、圆极化和椭圆极化，在实际的应用中，往往又将电磁波正交分解为主极化和正交极化。对于不同的系统，其对电磁波的极化要求往往是不同的，例如，卫星通信使用圆极化电磁波，雷达探测系统采用两种正交的线极化或者两种正交的圆极化电磁波进行探测扫描等。
极化转换器可对电磁波的极化进行重构，其按工作频率划分可分为微波极化转换器、太赫兹极化转换器和光波极化转换器。例如，2018年3月，重庆邮电大学在其申请的名称为“一种反射性宽带太赫兹极化转换器”(申请号：20181020583.X，申请公布号：CN108390157A)的专利文献中，公开了一种反射性的太赫兹极化转换器，其由金属层、中间介质层和印制在金属介质层上表面的金属双开口谐振圆环和镂空圆盘构成。该反射器能在太赫兹宽带范围内高效的将X极化波转换为Y极化波，但是其只能实现单一状态的极化转换。例如，2018年5月，重庆邮电大学在其申请的名称为“一种基于开口谐振环的太赫兹极化转换器”(申请号：201810472617.1，申请公布号：CN109193169A)的专利文献中，公开了一种太赫兹极化转换器，其由金属地板、中间介质层和印制在介质层上表面的金属双开口谐振环和单开口谐振构成，其能高效的X极化波转换为Y极化波，也能将Y极化波转换为X极化波，虽然其能够实现两种状态的极化转换，但仅限于对线极化状态的转换。
综上所述，现有技术仅解决了线极化与正交线极化之间的转换技术问题，但没有涉及太赫兹频段下的线极化到圆极化之间的极化转换，并且现有极化转换器结构与极化转换功能一一对应，无法利用同一极化转换器实现对电磁波极化转换状态的重构调控。
发明内容
本发明针对现有极化转换器极化转换功能难以动态可调的不足之处，提出了一种基于石墨烯复合超表面的太赫兹电磁波可调极化转换器，用于实现线极化太赫兹电磁波与正交极化或圆极化太赫兹电磁波之间的转换，并且具有极化转换功能的动态可调的特点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器，包括m×n个周期性排列的超表面单元，其中，m≥2，n≥2，所述超表面单元包括介质基板、谐振结构、石墨烯层和金属地板；其特征在于，所述谐振结构印制在介质基板上表面，该谐振结构(3)的中心与超表面单元(1)的中心重合；所述石墨烯层加载于介质基板上下表面之间，该石墨烯层能够对谐振结构和金属地板之间的电磁耦合进行调控，实现对入射电磁波极化状态的动态可调。
上述权利要求中，所述的谐振结构为斜矩形金属环或双金属条。
上述权利要求中，所述斜矩形金属环长边的长度为a，短边的长度为b，通过调整长边a和短边b的长度能够实现对电磁波转换频率的控制，该斜矩形金属环的长边与X轴方向的夹角为45度。
上述权利要求中，所述的双金属条相互平行，其长度为a，通过调整a的长度能够实现对电磁波转换频率的控制，该双金属条沿长度方向与X轴方向的夹角为45度。
上述权利要求中，所述石墨烯层与介质基板上下表面之间的距离相等，且与介质基板的上下表面相互平行。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中采用的超表面单元，其包括谐振结构和石墨烯层，由于石墨烯能够调节其电磁透过率，从而对谐振结构和金属地板之间的电磁耦合进行调控，能够实现线极化太赫兹电磁波与正交极化或圆极化太赫兹电磁波之间的转换，并且具有极化转换动态可调的特点。
2、本发明中采用的超表面单元，其采用了整体的石墨烯层加载方法，使得其调控方式更为简单。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的谐振结构的结构示意图；
图3是本发明Stokes S1参数随频率的变化仿真结果示意图；
图4是本发明Stokes S3参数随频率的变化仿真结果示意图；
图5是本发明在1.8THz下的Stokes参数随费米能级的变化仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明
参照图1和图2
一种基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器，包括m×n个周期性排列的超表面单元1，其中，m≥2，n≥2，所述超表面单元1包括介质基板2、谐振结构3、石墨烯层4和金属地板5；其特征在于，所述谐振结构3印制在介质基板2上表面，该谐振结构(3)的中心与超表面单元(1)的中心重合；所述石墨烯层4加载于介质基板2上下表面之间，该石墨烯层3能够对谐振结构5和金属地板4之间的电磁耦合进行调控，实现对入射电磁波极化状态的动态可调。
本发明中采用的谐振结构3，倾斜放置，能将沿X方向极化的线极化入射波分解为X线极化分量和Y线极化分量，其与金属地板5能构成一个谐振腔，从而大大增强极化转换的效果，而加载于介质基板2之间的石墨烯层4，能够调控谐振结构3和金属地板5之间的电磁耦合强度，从而改变了极化转换的效果。
本发明中的谐振结构3采用的斜矩形金属环3.1，能够保证反射波的X线极化分量和Y线极化分量的相位差恒定为九十度，在此前提下，当X线极化分量和Y线极化分量幅值相等时，能够实现圆极化的转换；而当其中的X线极化分量为0时，则实现了正交线极化转换。
本发明中的谐振结构3采用的双金属条3.2，其每个金属条为相同而独立的谐振器，而双金属条的设计使两个相同的谐振器之间产生耦合，从而大大扩展了带宽；同时，当反射波X线极化分量为0时，则实现了正交线极化转换，而当反射波的X线极化分量和Y线极化分量的相位差为九十度且幅值相等时，则能够实现圆极化转换。
实施例1
所述斜矩形金属环3.1长边长度为a，短边长度为b，通过调节a和b的长度能够实现对电磁波极化转换频率的调节。该斜矩形金属环3.1的长边与X轴方向的夹角为45度，当l＝60μm，a＝58μm，b＝20μm，w＝4.5μm，h＝12.5μm时，能实现最优的正交线极化转换以及圆极化转换效果。
所述的基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器，所述石墨烯层4与介质基板2上下表面之间的距离相等，且与介质基板2的上下表面相互平行。
实施例2
所述的双金属条3.2相互平行，其长度为a，通过调节a的长度能够实现对电磁波极化转换频率的调节；该双金属条3.2沿长度方向与X轴方向的夹角为45度，当l＝60μm，a＝58μm，w＝4.5μm，h＝12.5μm时，能实现最优的正交线极化转换以及圆极化转换效果。
所述的基于石墨烯复合超表面的电磁波可调极化转换器，所述石墨烯层4与介质基板2上下表面之间的距离相等，且与介质基板2的上下表面相互平行。
以下结合仿真试验对本发明的技术效果作进一步说明。
参照图3、图4和图5
1、仿真条件及内容
1.1仿真条件：使用商业仿真软件COMSOL对上述实施例进行仿真。
1.2仿真内容：
(1)对上述超表面单元1在不同费米能级下的斯托克斯参数S1随频率的变化进行仿真计算，结果如图3所示。
(2)对上述超表面单元1在不同费米能级下的斯托克斯参数S3随频率的变化进行仿真计算，结果如图4所示。
(3)对上述超表面单元1在1.8THz下的斯托克斯参数S3随费米能级的变化进行仿真计算，结果如图5所示。
2、仿真结果分析
参照图3(a)为本发明的谐振结构3为斜金属环3.1时，Stokes S1参数随频率的变化仿真结果示意图；横坐标表示频率的变化，纵坐标表示Stokes S1参数；图中，实线表示费米能级取0.0eV时的仿真结果，虚线表示费米能级取0.5eV时的仿真结果，点线表示费米能级取1.0eV时的仿真结果。在X线极化电磁波入射的情况下，当费米能级为0.0eV时，S1具有最小值，且S1小于-0.9的带宽为23.2％，特别的，其在2.3THz时，S1等于-1，意味着，该点的反射波为Y线极化，即该超表面实现了正交线极化转换，S1呈现随费米能级增加而增大的趋势。
参照图3(b)为本发明的谐振结构3为双金属条3.2时，Stokes S1参数随频率的变化仿真结果示意图；横坐标表示频率的变化，纵坐标表示Stokes S1参数；图中，实线表示费米能级取0.2eV时的仿真结果，虚线表示费米能级取0.5eV时的仿真结果，点线线表示费米能级取1.0eV时的仿真结果。在X线极化电磁波入射的情况下，当费米能级为0.2eV时，S1具有最小值，且S1小于-0.9的带宽为73.7％，特别的，其在2.3THz时，S1等于-1，意味着，该点的反射波为Y线极化，即该超表面单元1实现了正交线极化转换，S1呈现随费米能级增加而增大的趋势。
参照图4(a)为本发明的谐振结构3为斜金属环3.1时，Stokes S3参数随频率的变化仿真结果示意图；横坐标表示频率的变化，纵坐标表示Stokes S3参数；图中，实线表示费米能级取0.0eV时的仿真结果，虚线表示费米能级取0.5eV时的仿真结果，点线线表示费米能级取1.0eV时的仿真结果。在X线极化电磁波入射的情况下，其在1.8THz时，S3等于1，意味着，该点的反射波为左旋圆极化，即该超表面单元1实现了左旋圆极化转换，S3呈现随费米能级增加而增大的趋势。
参照图4(b)为本发明的谐振结构3为双金属条3.2时，Stokes S3参数随频率的变化仿真结果示意图；横坐标表示频率的变化，纵坐标表示Stokes S3参数；图中，实线表示费米能级取0.2eV时的仿真结果，虚线表示费米能级取0.5eV时的仿真结果，点线线表示费米能级取1.0eV时的仿真结果。在X线极化电磁波入射的情况下，当费米能级为1.0eV时，其在1.8THz时，S3等于1，意味着，该点的反射波为左旋圆极化，即该超表面单元1实现了左旋圆极化转换，S3呈现随费米能级增加而增大的趋势。
参照图5(a)为本发明的谐振结构1为斜金属环3.1时，Stokes参数随费米能级的变化仿真结果示意图；横坐标表示费米能级的变化，纵坐标表示Stokes参数；图中，实线表示Stokes S1参数的仿真结果，虚线表示Stokes S2参数的仿真结果，点线线表示Stokes S3参数的仿真结果。在X线极化电磁波入射的情况下，2.3THz的工作频率时，当费米能级从0.0eV变化到1.0eV时，S1从-1变化到0，S2接近为0，而S3从0变化到1，即该超表面单元1实现了正交极化转换到左旋圆极化转换的效果。
参照图5(b)为本发明的谐振结构3为双金属条3.2时，Stokes参数随费米能级的变化仿真结果示意图；横坐标表示费米能级的变化，纵坐标表示Stokes参数；图中，实线表示Stokes S1参数的仿真结果，虚线表示Stokes S2参数的仿真结果，点线线表示Stokes S3参数的仿真结果。在X线极化电磁波入射的情况下，1.8THz的工作频率时，当费米能级从0.2eV变化到1.0eV时，S1从-1变化到0，S2接近为0，而S3从0变化到1，即该超表面单元1实现了正交极化转换到左旋圆极化转换的效果。
综上所述，该极化转换器的超表面单元1能够实现正交线极化转换以及圆极化转换，且通过调整费米能级，能够实现对不同的极化转换进行调控。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。