一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及人工微結(jié)構(gòu)電磁學(xué)與電磁超材料領(lǐng)域，是基于人工超表面和具有結(jié)構(gòu)手征特性的微波器件的研究，尤其涉及一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面。本發(fā)明提供一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，該超表面包含ｎ個(gè)單元結(jié)構(gòu)，其中n為大于等于2的整數(shù)，所述單元結(jié)構(gòu)包括上層人工微結(jié)構(gòu)、介質(zhì)襯底以及下層人工微結(jié)構(gòu)，所述單元結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，其包含四個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)為雙金屬線天線。超表面整體體積很薄，非常適合應(yīng)用于小體積集成電磁器件?？梢詫?shí)現(xiàn)很大頻段內(nèi)的純凈的旋光角，并且最大的轉(zhuǎn)動(dòng)角能達(dá)到125°，本發(fā)明除了上述的功能性有益效果還具備制作簡(jiǎn)單，成本較低，可簡(jiǎn)單采用PCB加工工藝進(jìn)行制作。
【專利說明】
一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及人工微結(jié)構(gòu)電磁學(xué)與電磁超材料領(lǐng)域，是基于人工超表面和具有結(jié)構(gòu) 手征特性的微波器件的研究，尤其涉及一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面。
【背景技術(shù)】
[0002] 手征結(jié)構(gòu)缺乏鏡像對(duì)振性，因此具有很好的光學(xué)活性，即電磁波經(jīng)過手性介質(zhì)后 產(chǎn)生了旋光性。人工手征介質(zhì)，旋光性是由結(jié)構(gòu)手征引起的光學(xué)空間色散，與自然介質(zhì)相 比，人工手征介質(zhì)具有更好的性能。對(duì)于人工手征超材料，兩種圓偏振態(tài)的衰減是被打破 的，即超材料對(duì)于左旋光和右旋光的折射率不同。為了更好的理解手性材料的本質(zhì)特性，有 三個(gè)量要分別定義一下。首先是光學(xué)活性，它是指入射波透過超表面后偏振面的轉(zhuǎn)動(dòng)角度， 一般用旋光角來描述;其次是圓二色向性，它指超表面對(duì)于左旋入射光和右旋入射光的吸 收是不同的;最后一個(gè)是橢圓度，表征透射波與入射波相比，偏振態(tài)的差異，例如，圓偏振光 轉(zhuǎn)換成橢圓偏振態(tài)。
[0003] Svirko等在2001年首先研究了雙層平面手征金屬微結(jié)構(gòu)的親合，從理論上預(yù)言了 雙層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)旋光性.Kwon等對(duì)工作波長(zhǎng)在近紅外的希臘十字形手征結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計(jì) 算，得到了最大為90°的旋光角，隨后又設(shè)計(jì)了在近紅外波段具有負(fù)折射率的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而 徐超等依據(jù)上述結(jié)構(gòu)提出了三層手征網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)在可見光波段具有強(qiáng) 的旋光性。最近，一些新的具有強(qiáng)旋光性和負(fù)折射率的雙層手征結(jié)構(gòu)被提出，如雙層玫瑰結(jié) 構(gòu)、十字形結(jié)構(gòu)、U形結(jié)構(gòu)、L形結(jié)構(gòu)以及扭轉(zhuǎn)金屬片結(jié)構(gòu)等，在實(shí)驗(yàn)上也驗(yàn)證了雙層平面手 征結(jié)構(gòu)可以得到強(qiáng)旋光性和圓極化波的負(fù)折射率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種微 波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其基本結(jié)構(gòu)是上下兩層的金屬線扭轉(zhuǎn)了一定角度，打破 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性引入手性。小心的設(shè)計(jì)金屬線的幾何尺寸和旋轉(zhuǎn)角度，得到更加優(yōu)化的光學(xué)活 性和橢圓度。利用仿真模擬，計(jì)算左旋入射光(LCP)和右旋入射光(RCP)分別對(duì)應(yīng)的透射系 數(shù)和反射系數(shù)，并利用得到的透射系數(shù)和反射系數(shù)，反演計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的旋光角、圓二色 性、橢圓度、手征參數(shù)等。為了深入了解電磁共振特性，我們還進(jìn)一步觀察了金屬線的表面 電流，在共振位置處，存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交叉耦合。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手 征超表面，該超表面包含η個(gè)單元結(jié)構(gòu)，其中η為大于等于2的整數(shù)，所述單元結(jié)構(gòu)包括上層 人工微結(jié)構(gòu)、介質(zhì)襯底以及下層人工微結(jié)構(gòu);所述單元結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，其包含四 個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)為雙金屬線天線。
[0006] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙金屬天線在微波段2.4GHz厚度為0.1毫米，為超 薄型貼片結(jié)構(gòu)。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述基本元胞結(jié)構(gòu)中每組金屬線都偏轉(zhuǎn)了特定角度， 但是其延長(zhǎng)線構(gòu)成一個(gè)正方形。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述金屬線是兩條尺寸完全相同的平行銅箱。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述超表面的介質(zhì)襯底材料為FR-4,其介電常數(shù)為 = 4.3+0.025i。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述超表面中，上下兩層人工微結(jié)構(gòu)相同，下層微結(jié) 構(gòu)較之上層微結(jié)構(gòu)比整體順時(shí)針扭轉(zhuǎn)了40°，引入了手征特性。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述超表面對(duì)于左旋波LCP和右旋波RCP的折射率不 同。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明提出的超表面，結(jié)構(gòu)為超薄型貼片結(jié)構(gòu)，其厚度在 微波波段2-4GHZ僅為0.1毫米。超表面整體體積很薄，非常適合應(yīng)用于小體積集成電磁器 件。2.本發(fā)明提出的超表面可以實(shí)現(xiàn)很大頻段內(nèi)的純凈的旋光角，并且最大的轉(zhuǎn)動(dòng)角能達(dá) 至1」125°。3.本發(fā)明除了上述的功能性有益效果還具備制作簡(jiǎn)單，成本較低，可簡(jiǎn)單采用PCB 加工工藝進(jìn)行制作。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的微波段雙層雙金屬線結(jié)構(gòu)超表面的單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2是為左旋光與右旋光入射的透射譜與反射譜(其中-代表LCP;+代表RCP);
[0015] 圖3是左旋光與右旋光入射的透射相位；
[0016] 圖4是旋光角和橢圓度隨入射光頻率變化圖；
[0017] 其中圖1中1代表的相同顏色區(qū)為上層結(jié)構(gòu)，2代表的相同顏色區(qū)為下層結(jié)構(gòu)，1和2 都是完美電導(dǎo)體(在低頻微波頻段可以為銅，鋁，鐵等金屬）；區(qū)域3為介質(zhì)襯底區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合【附圖說明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，該超表面包含η個(gè)單 元結(jié)構(gòu)，其中η為大于等于2的整數(shù)，所述單元結(jié)構(gòu)包括上層人工微結(jié)構(gòu)、介質(zhì)襯底以及下層 人工微結(jié)構(gòu);所述單元結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，其包含四個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)基本元胞 結(jié)構(gòu)為雙金屬線天線。
[0020] 所述雙金屬天線在微波段2.4GHz厚度為0.1毫米，為超薄型貼片結(jié)構(gòu)。
[0021] 所述基本元胞結(jié)構(gòu)中每組金屬線都偏轉(zhuǎn)了特定角度，但是其延長(zhǎng)線構(gòu)成一個(gè)正方 形。
[0022] 所述金屬線是兩條尺寸完全相同的平行銅箱。
[0023]所述超表面的介質(zhì)襯底材料為FR-4，其介電常數(shù)為:er = 4.3+0.025i。
[0024] 在所述超表面中，上下兩層人工微結(jié)構(gòu)相同，下層微結(jié)構(gòu)較之上層微結(jié)構(gòu)比整體 順時(shí)針扭轉(zhuǎn)了40°，引入了手征特性。
[0025] 所述超表面對(duì)于左旋波LCP和右旋波RCP的折射率不同。
[0026] 設(shè)計(jì)的平面手征結(jié)構(gòu)為周期性結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)如圖1所示.它是由分布在介質(zhì) 層兩面的雙金屬線構(gòu)成，上層由四條依次旋轉(zhuǎn)60°，150°，240°和330°的金屬線按一定的位 置排列，下層的每對(duì)金屬線對(duì)應(yīng)于上層金屬線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°的角度，如圖1所示.具體結(jié)構(gòu) 參數(shù)如下：周期P = 35*4mm，金屬線的長(zhǎng)度1 = 24.5mm，寬度w = 3.5mm，介質(zhì)層的厚度h = 8.75mm。其中金屬層為銅，介質(zhì)層采用的是FR-4。對(duì)周期結(jié)構(gòu)采用頻域有限元方法進(jìn)行模擬 計(jì)算。平面波垂直于結(jié)構(gòu)表面入射，垂直于波的傳播方向上采用周期性邊界條件。附圖2是 該超表面的LCP波和RCP波所對(duì)應(yīng)的透射譜和反射譜（用DB表示），可以看出超表面對(duì)于LCP 波和RCP波的透射是不同的。附圖3是兩者的透射相位。
[0027] 平面手征結(jié)構(gòu)的光學(xué)活性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的圓二色性和旋光角Θ上，其中圓二色 性表征的是手征介質(zhì)中傳播的RCP波與LCP波透射譜之間的差異;旋光角Θ則指手征介質(zhì)對(duì) 入射光偏振面的旋轉(zhuǎn)能力，其定義為：Θ = [arg(T++)-arg(T--) ]/2，橢圓度n = arctan [ (T++-T--)/(T+++T--)]，它們產(chǎn)生的機(jī)理是由于雙層平面手征金屬微結(jié)構(gòu)之間的電磁耦合。附圖4 是計(jì)算的旋光角Θ和橢圓度η隨入射波頻率變化。從圖中可以看出：1.在很大的波段內(nèi)（2GHz ~2.85GHz和3.5GHz~4GHz )，η~〇，即純凈的光學(xué)活性，此時(shí)，線偏振的入射波出射時(shí)仍是 線偏振，只是偏轉(zhuǎn)了 Θ角度。2.存在三個(gè)θ = 〇的頻率，這說明可以在不扭轉(zhuǎn)偏振面的前提下， 超表面改變?nèi)肷洳ǖ臋E圓度。3.尤其圖中圓圈標(biāo)出的位置τι~45°，即這個(gè)頻率的線偏振波 入射時(shí)，可以得到圓偏振的出射波(或者相反）。4. Θ很大，可以達(dá)到125°，大的旋光角可以輕 易的產(chǎn)生負(fù)折射率。
[0028] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:該超表面包含η個(gè)單元結(jié)構(gòu)， 其中η為大于等于2的整數(shù)，所述單元結(jié)構(gòu)包括上層人工微結(jié)構(gòu)、介質(zhì)襯底以及下層人工微 結(jié)構(gòu)，所述單元結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，其包含四個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)基本元胞結(jié)構(gòu)為 雙金屬線天線。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:所述雙金屬 天線在微波段2.4GHz厚度為0.1毫米，為超薄型貼片結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:所述基本元 胞結(jié)構(gòu)中每組金屬線都偏轉(zhuǎn)了特定角度，但是其延長(zhǎng)線構(gòu)成一個(gè)正方形。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:所述金屬線 是兩條尺寸完全相同的平行銅箱。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:所述超表面 的介質(zhì)襯底材料為FR-4，其介電常數(shù)為:q = 4 J + 0.02S。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:在所述超表 面中，上下兩層人工微結(jié)構(gòu)相同，下層微結(jié)構(gòu)較之上層微結(jié)構(gòu)比整體順時(shí)針扭轉(zhuǎn)了40°，引 入了手征特性。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波段雙層金屬線結(jié)構(gòu)手征超表面，其特征在于:所述超表面 對(duì)于左旋波LCP和右旋波RCP的折射率不同。
【文檔編號(hào)】H01Q15/00GK106058477SQ201610311098
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】肖君軍, 李美麗, 劉真真, 張強(qiáng)
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院