一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，该极化转换器主要结构包括顶层和底层相同的的斜“I”形金属贴片、顶层和底层正交放置的石墨烯贴片、置于中间层的介质层。该极化转换器采用透射型结构，在金属贴片与石墨烯贴片共同工作下，当费米能级为0.4eV时，可以在2.67~3.28 THz内实现宽带线‑圆极化转换，相对带宽为20.50%。同时，我们可以通过调节石墨烯贴片与介质层之间的偏置电压来改变石墨烯贴片的费米能级(

THz transmission polarization converter based on graphene control

The utility model discloses a THz transmission polarization converter based on graphene regulation. The polarization converter is mainly composed of inclined \I\ shaped metal patches with the same top layer and bottom layer, graphene patches placed at the top layer and bottom layer in an orthogonal way, and a medium layer placed in the middle layer. When the Fermi energy level is 0.4ev, the wide-band line to circle polarization conversion can be realized in the range of 2.67 ~ 3.28 THz, and the relative bandwidth is 20.50%. At the same time, we can change the Fermi energy level of graphene patch by adjusting the bias voltage between the graphene patch and the dielectric layer\uff08

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器
本技术涉及一种THz透射型极化转换器，特别是一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，属于太赫兹器件

技术介绍
超材料(metamaterials)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质(如：负折射率、圆二色性、极化调控等)的人工复合结构或复合材料，是近年来国际学术界的研究热点之一。现阶段大多数电磁超材料极化转换器基本为平面结构，该平面结构的优势在于可用于天线的集成，同时由于其工作原理与传统的偏振片类似，因此也可以用于调控天线的极化特性。随着太赫兹科学的发展，太赫兹技术在成像、敏感检测、遥感等领域与极化调控显现出广阔的应用前景。对太赫兹波极化状态的有效操控是太赫兹科学与技术研究的热点。随着社会信息化程度的不断提高，由于圆极化波适用范围广，优点多(如：降低极化不一致导致的能量损耗，降低雨雾天气和建筑物的干扰性，消除无线电信号传输时在电离层因为法拉第旋转效应等等)，使得圆极化技术被广泛地应用于通信、遥测、雷达、电子侦察和干扰等系统中，所以太赫兹波段的超材料线-圆极化转换器成为了研究热点。超材料线-圆极化转换器可分为透射型和反射型，对不同的适用环境需要选择不同类型线-圆极化转换器。透射型在极化调控后可以获得较纯(不混入入射波)的透射波，反射型则可以高效的解决极化调控后天线辐射能量利用的问题。但对于传统超材料线-圆极化转换器而言，一旦结构固定后，则工作频带很难再发生改变，为了能获取可调控的工作范围，通常采取办法是引入集总元件，但这会导致控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造。石墨烯就能很好的解决这一问题。在太赫兹和中远红外波段，石墨烯具有负的介电常数，其表面能很好地支持等离子体谐振。石墨烯等离子体谐振与自由空间电磁波之间的相互作用能够改变电磁波的电磁特性，周期性图案化的石墨烯结构可以作为超表面的单元结构调控对应频段电磁波的特性。同时石墨烯的电导率具有可调性，能够通过外加电压等方式改变石墨烯等离子体谐振特性，进而实现对超表面工作状态的动态调控。所以使用石墨烯来获取可调控频带范围是一个很好的选择。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，采用透射型结构，通过石墨烯贴片和金属贴片共同工作，在2.67～3.28THz内实现了线-圆极化转换。同时，通过改变石墨烯贴片的费米能级Ef，可以实现线-圆极化转换工作频带可调控的目的。本技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，包括介质层，所述介质层的上下两端分别置有上层谐振单元及底层谐振单元，所述上层谐振单元由斜置的顶层“I”形金属贴片及沿x轴放置的顶层石墨烯贴片构成，所述下层谐振单元由斜置的底层“I”形金属贴片及沿y轴放置的底层石墨烯贴片构成，所述顶层及底层“I”形金属贴片均沿谐振单元的对角线布置，且相互重合。当费米能级Ef为0.4eV时，在2.67～3.28THz内实现线-圆极化转换，相对带宽为20.50％。该极化转换器采用透射型结构，在石墨烯贴片和金属贴片共同工作下，通过合理的参数优化可以在2.67～3.28THz内实现宽带线-圆极化转换。同时，我们可以通过调节外加在石墨烯贴片与介质层之间的偏置电压的大小来改变石墨烯贴片的费米能级Ef，当费米能级减小时，3dB轴比频带可以向低频范围拓展，从而实现工作范围动态转移的目的。作为本技术的进一步优化方案，所述顶层及底层“I”形金属贴片均沿谐振单元的对角线分布，所述斜“I”形金属贴片是由一个长度a＝46μm，宽度b＝25μm矩形剪去两个相同的椭圆形构成，所述椭圆长轴a＝46μm，短轴c＝10μm且中心点位于矩形长边中点处，左右两个椭圆关于y轴对称。进一步的，所述顶层及底层“I”形金属贴片绕中心点逆时针旋转45°形成进一步的，所述顶层石墨烯贴片呈矩形，长p＝60μm，宽d＝2.4μm，并沿y轴放置于介质层底边处；所述底层石墨烯贴片为一个长p＝60μm，宽d＝2.4μm的矩形沿x轴放置于介质层左侧边。进一步的，所述石墨烯贴片由单层碳原子紧密排列构成。所述顶层与底层的石墨烯贴片分别与介质层之间连接偏置电压，并通过调节偏置电压来改变的石墨烯贴片的费米能级Ef。进一步的，所述介质层的外部连接有上、下偏置电压，所述上偏置电压的一端与顶层石墨烯贴片相连，另一端与介质层相连；所述下偏置电压的一端与底层石墨烯贴片相连，另一端与介质层相连。进一步的，所述中间介质层材料为SiO2，介电常数4，介质基板边长p＝60μm，厚度h＝11μm。进一步的，顶层与底层的斜“I”形金属贴片材料为金，厚度为w1＝0.2μm；石墨烯贴片的厚度均为w2＝0.34nm。本技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本技术是一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，该极化转换器采用透射型结构，与传统反射型极化转换器相比，在其工作频带内经过极化调控后，可以获得较纯的圆极化波(不含入射波)。(2)本技术在石墨烯贴片和金属贴片共同工作下，经过合理的参数优化后，可以在2.67～3.28THz内实现线-圆极化转换。同时，我们可以通过调节外加在石墨烯贴片与介质层之间的偏置电压的大小来改变石墨烯贴片的费米能级Ef，当费米能级Ef减小时，3dB轴比频带可以向低频范围拓展，从而实现工作范围动态转移的目的(3)本技术可以在较小的物理尺寸下实现对线-圆极化转换，具有频带宽、可调控、设计灵活、功能性强的特点。附图说明图1为本技术的俯视图。图2为本技术的仰视图。图3为本技术的立体图。图4为本技术的侧视图。图5为本技术的单元周期性排列的(3×3)阵列图。图6为石墨烯贴片分别在费米能级Ef为0.4eV、0.8eV、1.2eV时介电常数实部随频率变化曲线。图7为石墨烯贴片分别在费米能级Ef为0.4eV、0.8eV、1.2eV时介电常数虚部随频率变化曲线。图8为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝0.4eV时的反射透射幅值曲线。图9为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝0.4eV时的透射相位曲线。图10为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝0.4eV时的透射极化转换率曲线。图11为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝0.8eV时的反射透射幅值曲线。图12为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝0.8eV时的透射相位曲线。图13为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝0.8eV时的透射极化转换率曲线。图14为本技术在电磁波垂直入射时(电场沿y轴)，在费米能级Ef＝1.2eV时的反射透射幅值曲线。图15为本实用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，其特征在于：包括介质层，所述介质层的上下两端分别置有顶层谐振单元及底层谐振单元，所述顶层谐振单元由斜置的顶层“I”形金属贴片及沿

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，其特征在于：包括介质层，所述介质层的上下两端分别置有顶层谐振单元及底层谐振单元，所述顶层谐振单元由斜置的顶层“I”形金属贴片及沿x轴放置的顶层石墨烯贴片构成，所述底层谐振单元由斜置的底层“I”形金属贴片及沿y轴放置的底层石墨烯贴片构成，所述顶层及底层“I”形金属贴片均沿谐振单元的对角线布置，且相互重合。


2.根据权利要求1所述的基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，其特征在于：所述顶层及底层“I”形金属贴片均沿谐振单元的对角线分布，所述“I”形金属贴片是由一个长度a=46μm，宽度b=25μm矩形剪去两个相同的椭圆形构成，所述椭圆形的长轴a=46μm，短轴c=10μm且中心点位于矩形长边中点处，左右两个椭圆形关于y轴对称。


3.根据权利要求2所述的基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，其特征在于：所述顶层及底层“I”形金属贴片绕中心点逆时针旋转45°形成。


4.根据权利要求1所述的基于石墨烯调控的THz透射型极化转换器，其特征在于：所述顶层石墨烯贴片呈矩形，长p=60μm，宽d=2.4μm，并沿y轴放置于介质层底边处；所述底层石墨烯贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：章海锋，曾立，刘国标，黄通，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32