一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器制造技术

本发明专利技术涉及一种可重构极化转换器，尤其是涉及一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器。包括从下到上依次设置的底层金属反射板、中间介质层和顶层谐振单元层，所述顶层谐振单元层包括多个方形开口金属环，多个所述方形开口金属环以M

【技术实现步骤摘要】
一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器


[0001]本专利技术涉及一种可重构极化转换器，尤其是涉及一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器。

技术介绍

[0002]随着电子对抗和通信技术的高速发展，对于电磁波调控的需求越来越强烈，而极化状态是电磁波重要的矢量特征，平面波的极化是指电场在电磁波传播平面中的震荡方向。对极化状态的调控在光波领域、微波通信和雷达抗干扰中都有广泛的应用，成为电磁研究领域的一个重要课题。传统极化调控手段如光栅、双色性晶体等，存在结构复杂、尺寸庞大和工作频带窄等缺点，限制了在实际工程中的应用。而由亚波长单元结构组成的超材料表面为解决这些问题开辟了新途径。
[0003]超材料(Metamaterials，MMs)也称为人工材料，具有许多自然界媒质所不具备的奇特性质，可以实现电磁波的灵活调控，是一种介电常数或磁导率至少有一个为负的新型人工复合材料，其一般由周期性结构组成。基于这些奇异特性，已经制备了许多特殊功能的器件和材料，如完美吸收器、滤波表面及极化转换表面(Polarization Conversion Metasurface，PCM)等。利用超材料进行电磁波的极化调控，主要分为透射型和反射型，透射型极化转换器存在损耗大、频带窄等缺点，而反射型则在这两个方面有很大的提升，但工作频带窄仍然是限制其工程应用的主要原因。利用多点谐振拓宽其工作频带是一个研究方向，Zhang Linbo等人设计了微波区域实现宽带和广角反射偏振转换器，在7.6～15.5GHz的垂直入射和7.8～13.0GHz的45
°
入射下可以获得超过75％的偏振转换带宽，2017年，Jing Cheng Zhao等人提出了一种超宽带和高效反射线性偏振转换器的简单设计，线偏振波经反射后可转换为正交偏振，在5.1～12.1GHz频率范围内偏振转换率在90％以上，相对带宽高达78.6％。
[0004]而超材料本身的可设计性为可重构极化转化器提供了可能性，可重构超材料克服了传统材料成型后无法改变的特性，可进一步拓宽超材料的工作频带，减轻材料质量。现有可调超材料的实现方式可分为两种，一种是直接使用电磁参数可调介质材料，如石墨烯、液晶、锑化铟等，另一种是主动改变超材料电磁结构，如变容二极管、变电阻器件和MEMS元件等。相比于第一种方法，后一种方法具有加工简单、调制深度高、易于仿真设计等优点，但电子元器件限制了极化转换器的整体尺寸，无法将设计结果等比拓展到高频领域甚至光波领域。使用具有相变特性的材料替代可变电子元器件，如二氧化钒可以完美解决上述问题。
[0005]二氧化钒是一种典型的强电子关联型金属氧化物，在受到外界刺激如热量、电压或光照等条件时，能够由低温绝缘态(M相)向高温半导体态(R相)发生可逆转变，电阻率会有3
‑
5个数量级的突变，在新型存储器件、智能电磁防护材料领域、太赫兹技术具有巨大的应用潜力。
[0006]但目前VO2应用中的薄膜技术多采用磁控溅射，其制备工艺复杂，对设备要求高，使用场景有限，不易于推广使用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器，具有强大的可调性、频率灵活性以及易于拓展到太赫兹甚至光波段的潜力，在天线辐射、雷达散射截面缩减等电磁波动态调控领域具有巨大的应用价值，制备工艺简单，对设备要求低，使用场景广，易于推广使用。
[0008]本专利技术提供一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器，包括从下到上依次设置的底层金属反射板、中间介质层和顶层谐振单元层，所述顶层谐振单元层包括多个方形开口金属环，多个所述方形开口金属环以M
×
N的形式周期性排列在所述中间介质层上从而形成周期阵列，每个所述方形开口金属环的开口处涂覆相变材料；所述相变材料为VO2纳米粉末分散于PVP基体中得到。
[0009]本专利技术通过在顶层谐振单元层方形开口金属环的开口处涂覆相变材料，相变材料为VO2纳米粉末分散于PVP水溶液基体中得到，实现极化转换器的可重构性。
[0010]优选地，所述相变材料的制备方法为：首先制备PVP水溶液，后将VO2纳米粉末分散于PVP水溶液中。
[0011]优选地，所述相变材料的制备方法：首先制备质量分数为3％
‑
10％的PVP水溶液，后将VO2纳米粉末分散于PVP水溶液中，所述相变材料中VO2的体积分数为40
‑
80％。采用该相变材料，薄膜成分简单，并且水性有机材料PVP更加安全环保。为保证制备的VO2相变材料的电性能稳定，综合考虑复合薄膜的力学性能和与基底的附着力等，在制备可重构极化转换器时，所述相变材料中VO2的体积分数为60％，PVP的体积分数为40％。
[0012]优选地，所述方形开口金属环和所述金属反射板均由金属覆铜组成，所采用的金属覆铜电导率σ
copper
＝5.96
×
107S/m，在大于1GHz时金属覆铜的趋肤深度小于2.06μm，金属覆铜厚度为35μm。
[0013]优选地，中间介质层采用高频PCB电路板，介电常数为3
‑
5，损耗正切角为0.001
‑
0.0037。
[0014]优选地，中间介质层的厚度h2＝3.0
‑
3.4mm。
[0015]优选地，多个所述方形开口金属环以19
×
19的形式周期性排列在所述中间介质层上从而形成周期阵列，周期p＝9
‑
10mm。
[0016]优选地，所述方形开口金属环包括四个金属边首尾相连组成的方形金属环，每个金属边的边长l＝5
‑
6mm，每个金属边的宽度w＝0.05
‑
0.2mm，在其中相对的两个金属边上分别各设有一个开口，每个金属边的开口处均设有相对的两个金属片，金属片分别与金属边垂直，在两个金属片之间涂覆相变材料，相变材料的宽度s＝0.05
‑
0.2mm，相变材料的长度和金属片的长度均为w1＝0.3
‑
0.7mm，金属片的宽度s1＝0.05
‑
0.2mm。通过调整谐振单元层的结构参数，可实现特定频带范围内的极化转换，而中间介质层可用于结构支撑和调节整体结构的工作频率。为增加相变材料与金属环的接触面积，减小VO2结相变后电阻，每个金属边的开口处均设有相对的两个金属片。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018](1)本专利技术使用VO2纳米粉末分散于PVP基体中得到相变材料，制备工艺简单，使用场景多样，更易于推广使用。而通过将上述VO2相变材料使用在超材料结构中，实现了温度控制的超材料设计和制作。仿真和实验结果表明，当VO2处于低温绝缘态时，结构由周期金
属结构谐振作用下，可以实现交叉反射，而当材料处于高温金属态时，金属结构被破坏，材料可实现同极化发射。
[0019](2)本专利技术通过在顶层谐振单元层方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VO2相变的温控可重构极化转换器，其特征在于：包括从下到上依次设置的底层金属反射板、中间介质层和顶层谐振单元层，所述顶层谐振单元层包括多个方形开口金属环，多个所述方形开口金属环以M
×
N的形式周期性排列在所述中间介质层上从而形成周期阵列，每个所述方形开口金属环的开口处涂覆相变材料；所述相变材料为VO2纳米粉末分散于PVP基体中得到。2.根据权利要求1所述的基于VO2相变的温控可重构极化转换器，其特征在于：所述相变材料的制备方法为：首先制备PVP水溶液，后将VO2纳米粉末分散于PVP水溶液中。3.根据权利要求2所述的基于VO2相变的温控可重构极化转换器，其特征在于：所述相变材料的制备方法为：首先制备质量分数为3％
‑
10％的PVP水溶液，后将VO2纳米粉末分散于PVP水溶液中，所述相变材料中VO2的体积分数为40％
‑
80％。4.根据权利要求3所述的基于VO2相变的温控可重构极化转换器，其特征在于：所述相变材料中VO2的体积分数为60％，PVP的体积分数为40％。5.根据权利要求1所述的基于VO2相变的温控可重构极化转换器，其特征在于：所述方形开口金属环和所述金属反射板均由金属覆铜组成，所采用的金属覆铜电导率σ
copper
＝5.96
×
107S/m，在大于1GHz时金属覆铜的趋肤深度小于2.06μm，金属覆铜厚度为35μm。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆国，孙肖宁，曲兆明，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：