本發(fā)明涉及人工媒質(zhì)領(lǐng)域，尤其是涉及了人工媒質(zhì)領(lǐng)域的一種涉及單層平面工藝構(gòu)造的太赫茲頻段的全角度透明傳輸材料。

背景技術(shù)：

人工媒質(zhì)的物理本質(zhì)，是通過(guò)密集排列的亞波長(zhǎng)諧振單元，模擬自然媒介中原子的電磁極化，以在所需頻段獲得特定的頻率色散?？茖W(xué)界一直致力于利用改變亞波長(zhǎng)諧振單元的結(jié)構(gòu)特性來(lái)改變媒質(zhì)的電磁參數(shù)，從而獲得具有沒(méi)有反射的等效媒質(zhì)，即完美匹配層(pml)。pml是計(jì)算電磁學(xué)中通過(guò)數(shù)學(xué)定義的一種假想的物質(zhì)模型。1994年，berenger首次提出pml的概念，后被廣泛用于科研及工程領(lǐng)域的有限域數(shù)值計(jì)算。任意極化的電磁波以任意入射角入射到pml表面時(shí)，無(wú)任何反射地進(jìn)入pml內(nèi)部。當(dāng)pml具有較大損耗時(shí)，透射的電磁波能量會(huì)被迅速吸收，成為一種理想的吸波材料；當(dāng)pml具有損耗較小時(shí)，透射的電磁波能量可以幾乎沒(méi)有損耗的從pml出射，成為一種理想的透明材料。利用無(wú)損耗pml概念，可以得到媒質(zhì)本身的“自我隱身”，實(shí)現(xiàn)“完美”理想天線罩等新奇應(yīng)用。

目前基于頻率選擇表面(fss：frequencyselectivesurface)的寬頻帶天線罩研究已有很多報(bào)道，但由于fss的較大單元、強(qiáng)烈的各向異性條件的限制，并未能實(shí)現(xiàn)全角度的透明傳輸特性。2016年，浙江大學(xué)葉德信博士利用3d打印技術(shù)，提出基于人工媒質(zhì)電磁參數(shù)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了一種等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與自由空間接近的無(wú)損耗人工pml媒質(zhì)，并且對(duì)任意極化、任意入射角的橫電波(te)波呈現(xiàn)接近于1的相對(duì)折射率和波阻抗，實(shí)現(xiàn)微波頻段的全角度透明傳輸。2016年，蘇州大學(xué)杭志宏教授利用光子晶體理論同樣實(shí)現(xiàn)微波波段的te波全角度透明傳輸材料。

到目前為止，全角度透明傳輸材料的研究仍限于微波頻段，因?yàn)槲⒉l段諧振單元的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于太赫茲波段諧振單元尺寸較大，容易實(shí)現(xiàn)加工，同時(shí)在微波波段，材料的本征損耗相對(duì)較小，更容易實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的等效媒質(zhì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提出了一種太赫茲頻段的全角度透明傳輸材料。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一、電磁諧振單元：

所述的電磁諧振單元由三部分組成，包括襯底以及布置在襯底上表面的環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)，環(huán)形金屬傳輸線邊框布置在襯底上表面周圍邊緣，圓形金屬盤(pán)布置在襯底上表面的中心。同時(shí)襯底采用本征高阻硅片，環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)均采用銅。

具體實(shí)施的電磁諧振單元包括材質(zhì)為本征高阻硅片的襯底，襯底平面上材質(zhì)為金屬銅的正方形金屬傳輸線邊框，以及材質(zhì)同樣為金屬銅的在正方形金屬傳輸線邊框的對(duì)稱中心的圓形金屬盤(pán)。

所述的電磁諧振單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。所述的諧振單元的邊長(zhǎng)尺寸小于自由空間中波長(zhǎng)的四分之一，在電磁波入射下能同時(shí)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生電諧振和磁諧振，其中環(huán)形金屬傳輸線邊框影響電諧振，圓形金屬盤(pán)影響磁諧振。

所述的電磁波的電場(chǎng)方向可在電磁諧振層所在平面的任意方向，即橫電波。

二、一種太赫茲頻段的全角度透明傳輸材料：

所述的太赫茲頻段的全角度透明傳輸材料由人工媒質(zhì)電磁諧振層構(gòu)成，電磁諧振層是由多個(gè)電磁諧振單元在自身所在平面陣列并通過(guò)空間電磁耦合形成。

所述的電磁諧振單元包括襯底以及布置在襯底上表面的環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)，環(huán)形金屬傳輸線邊框布置在襯底上表面周圍邊緣，圓形金屬盤(pán)布置在襯底上表面的中心，并且環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)均以襯底上表面的同一中心呈中心對(duì)稱布置。

所述的襯底為正方形。

所述的多個(gè)電磁諧振單元緊密排布陣列在同一平面，使得相鄰電磁諧振單元上的環(huán)形金屬傳輸線邊框相接觸。

所述的電磁諧振單元和電磁諧振層在電磁波入射下均能同時(shí)被電場(chǎng)和磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生電諧振和磁諧振。

所述的電磁諧振單元沿自身所在平面的水平和豎直兩個(gè)垂直方向上周期均勻排列形成電磁諧振層。

所述的電磁諧振層在太赫茲頻段電磁波任意角度入射的情況下，具有任意入射角下全透射特性。

所述的電磁波的電場(chǎng)方向可在電磁諧振層所在平面的任意方向，即橫電波。

所述襯底采用本征高阻硅片，環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)均采用銅。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用單層平面工藝構(gòu)造了一種太赫茲頻段的全角度透明傳輸材料，實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段電磁波任意角度入射的情況下，具有任意入射角下全透射特性的等效媒質(zhì)

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電磁諧振單元的結(jié)構(gòu)示意圖，(a)表示襯底上表面圖，(b)表示襯底下表面圖，(c)表示襯底側(cè)視圖。

圖2為本發(fā)明電磁諧振單元在不同入射角下反射系數(shù)的仿真參數(shù)曲線。

圖3為本發(fā)明電磁諧振單元在不同入射角下透射系數(shù)的仿真參數(shù)曲線。

圖4為本發(fā)明的電磁諧振單元在所在平面水平方向周期排列61個(gè)結(jié)構(gòu)單元，豎直方向設(shè)置為周期邊界條件下構(gòu)成電磁諧振層，頻率為302ghz的電磁波正入射電磁諧振層的遠(yuǎn)場(chǎng)增益與相同條件下電磁波正入射空氣的遠(yuǎn)場(chǎng)增益的仿真結(jié)果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明構(gòu)建的坐標(biāo)系是以諧振單元襯底反面外法線方向?yàn)閦方向，電磁諧振單元所在平面的豎直方向?yàn)閤方向，水平方向?yàn)閥方向。

本發(fā)明的電磁諧振單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該諧振單元為雙層結(jié)構(gòu)，包括頂層環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)結(jié)構(gòu)a和底層介質(zhì)板b的襯底。當(dāng)入射波的電場(chǎng)方向沿x方向，磁場(chǎng)沿y方向，傳播方向沿z軸方向時(shí)，由于環(huán)形金屬傳輸線邊框組成諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)磁場(chǎng)垂直于螺旋環(huán)時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)形電流，這是產(chǎn)生磁諧振的必備條件。通過(guò)調(diào)整圓形金屬盤(pán)可以改變磁諧振，通過(guò)調(diào)整環(huán)形金屬傳輸線邊框可以調(diào)節(jié)電諧振。

本發(fā)明的具體實(shí)施例及其工作過(guò)程如下：

本實(shí)施例的電磁諧振單元呈正方形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，由襯底以及布置在襯底上表面的環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)構(gòu)成。環(huán)形金屬傳輸線邊框布置在襯底上表面周圍邊緣，圓形金屬盤(pán)布置在襯底上表面的中心，并且環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)均以襯底上表面的同一中心呈中心對(duì)稱布置。

每個(gè)單元的襯底長(zhǎng)度和寬度分別為a＝b＝0.224mm。頂層環(huán)形金屬傳輸線邊框和圓形金屬盤(pán)結(jié)構(gòu)a，厚度為tm＝0.0002mm。頂層環(huán)形金屬傳輸線邊框的線寬為w＝0.012mm，圓形金屬盤(pán)的直徑為d＝0.120mm。底層為起支撐作用的襯底b，選取材料為本征高阻硅片，其厚度為ts＝0.140mm，相對(duì)介電常數(shù)為11.9，損耗正切角0.00025。

實(shí)施例的電磁諧振單元在不同入射角下進(jìn)行反射仿真試驗(yàn)，反射系數(shù)的仿真參數(shù)曲線分別如圖2所示。利用cst仿真軟件的fssstudio模塊進(jìn)行計(jì)算s11和s21參數(shù)，頻率范圍270-330ghz，邊界條件設(shè)置為周期邊界條件，激勵(lì)模式選擇為te波激勵(lì)。曲線1代表入射角為80度時(shí)的反射系數(shù)(db)值，曲線2代表入射角為64度時(shí)的反射系數(shù)(db)值，曲線3代表入射角為48度時(shí)的反射系數(shù)(db)值，曲線4代表入射角為32度時(shí)的反射系數(shù)(db)值，曲線5代表入射角為16度時(shí)的反射系數(shù)(db)值，曲線6代表入射角為0度時(shí)的反射系數(shù)(db)值。

實(shí)施例的電磁諧振單元在不同入射角下進(jìn)行透射仿真試驗(yàn)，透射系數(shù)的仿真參數(shù)曲線分別如圖3所示。利用cst仿真軟件的fssstudio模塊進(jìn)行計(jì)算s11和s21參數(shù)，頻率范圍270-330ghz，邊界條件設(shè)置為周期邊界條件，激勵(lì)模式選擇為te波激勵(lì)。曲線1代表入射角為80度時(shí)的透射系數(shù)(db)值，曲線2代表入射角為64度時(shí)的透射系數(shù)(db)值，曲線3代表入射角為48度時(shí)的透射系數(shù)(db)值，曲線4代表入射角為32度時(shí)的透射系數(shù)(db)值，曲線5代表入射角為16度時(shí)的透射系數(shù)(db)值，曲線6代表入射角為0度時(shí)的透射系數(shù)(db)值。

本發(fā)明的電磁諧振單元在所在平面水平方向周期排列61個(gè)結(jié)構(gòu)單元，豎直方向設(shè)置為周期邊界條件下構(gòu)成電磁諧振層，頻率為302ghz的電磁波正入射電磁諧振層的遠(yuǎn)場(chǎng)增益與相同條件下電磁波正入射空氣的遠(yuǎn)場(chǎng)增益的仿真結(jié)果對(duì)比結(jié)果如圖4所示。曲線1表示電磁波正入射空氣的遠(yuǎn)場(chǎng)增益結(jié)果，曲線2表示電磁波正入射電磁諧振層的遠(yuǎn)場(chǎng)增益結(jié)果。比較兩條曲線，方向角在(-58°,58°)間，曲線1和曲線2幾乎完全重合，同時(shí)在(-180°,-58°)和(58°,180°)角度遠(yuǎn)場(chǎng)增益值都小于-20db，表示電磁諧振層可以等效為空氣。

本發(fā)明實(shí)施例的電磁諧振單元的中心頻率為300ghz，電磁諧振層的中心頻率為302ghz。如果要工作在其他頻率，可通過(guò)調(diào)整電磁諧振單元的尺寸以及周期排列的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以上所述，僅是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)工作在300ghz特定頻率的較佳電磁諧振單元而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實(shí)例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)例所作的任何的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。