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CN106058477B - 一种微波段双层金属线结构手征超表面 - Google Patents

一种微波段双层金属线结构手征超表面 Download PDF

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CN106058477B CN201610311098.1A CN201610311098A CN106058477B CN 106058477 B CN106058477 B CN 106058477B CN 201610311098 A CN201610311098 A CN 201610311098A CN 106058477 B CN106058477 B CN 106058477B
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李美丽
刘真真
张强
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Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明涉及人工微结构电磁学与电磁超材料领域，是基于人工超表面和具有结构手征特性的微波器件的研究，尤其涉及一种微波段双层金属线结构手征超表面。本发明提供一种微波段双层金属线结构手征超表面，该超表面包含ｎ个单元结构，其中n为大于等于2的整数，所述单元结构包括上层人工微结构、介质衬底以及下层人工微结构，所述单元结构具有四重旋转对称性，其包含四个基本元胞结构，每个基本元胞结构为双金属线天线。超表面整体体积很薄，非常适合应用于小体积集成电磁器件。可以实现很大频段内的纯净的旋光角，并且最大的转动角能达到125°，本发明除了上述的功能性有益效果还具备制作简单，成本较低，可简单采用PCB加工工艺进行制作。

Description

一种微波段双层金属线结构手征超表面
技术领域
本发明涉及人工微结构电磁学与电磁超材料领域，是基于人工超表面和具有结构手征特性的微波器件的研究，尤其涉及一种微波段双层金属线结构手征超表面。
背景技术
手征结构缺乏镜像对振性，因此具有很好的光学活性，即电磁波经过手性介质后产生了旋光性。人工手征介质，旋光性是由结构手征引起的光学空间色散，与自然介质相比，人工手征介质具有更好的性能。对于人工手征超材料，两种圆偏振态的衰减是被打破的，即超材料对于左旋光和右旋光的折射率不同。为了更好的理解手性材料的本质特性，有三个量要分别定义一下。首先是光学活性，它是指入射波透过超表面后偏振面的转动角度，一般用旋光角来描述；其次是圆二色向性，它指超表面对于左旋入射光和右旋入射光的吸收是不同的；最后一个是椭圆度，表征透射波与入射波相比，偏振态的差异，例如，圆偏振光转换成椭圆偏振态。
Svirko等在2001年首先研究了双层平面手征金属微结构的耦合，从理论上预言了双层结构的强旋光性.Kwon等对工作波长在近红外的希腊十字形手征结构进行了模拟计算，得到了最大为90°的旋光角，随后又设计了在近红外波段具有负折射率的网状结构，而徐超等依据上述结构提出了三层手征网格结构，模拟结果显示该结构在可见光波段具有强的旋光性。最近，一些新的具有强旋光性和负折射率的双层手征结构被提出，如双层玫瑰结构、十字形结构、U形结构、L形结构以及扭转金属片结构等，在实验上也验证了双层平面手征结构可以得到强旋光性和圆极化波的负折射率。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种微波段双层金属线结构手征超表面，其基本结构是上下两层的金属线扭转了一定角度，打破旋转对称性引入手性。小心的设计金属线的几何尺寸和旋转角度，得到更加优化的光学活性和椭圆度。利用仿真模拟，计算左旋入射光(LCP)和右旋入射光(RCP)分别对应的透射系数和反射系数，并利用得到的透射系数和反射系数，反演计算了该结构的旋光角、圆二色性、椭圆度、手征参数等。为了深入了解电磁共振特性，我们还进一步观察了金属线的表面电流，在共振位置处，存在电场和磁场的交叉耦合。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种微波段双层金属线结构手征超表面，该超表面包含n个单元结构，其中n为大于等于2的整数，所述单元结构包括上层人工微结构、介质衬底以及下层人工微结构；所述单元结构具有四重旋转对称性，其包含四个基本元胞结构，每个基本元胞结构为双金属线天线。
作为本发明的进一步改进，所述双金属天线在微波段2.4GHz厚度为0.1毫米，为超薄型贴片结构。
作为本发明的进一步改进，所述基本元胞结构中每组金属线都偏转了特定角度，但是其延长线构成一个正方形。
作为本发明的进一步改进，所述金属线是两条尺寸完全相同的平行铜箔。
作为本发明的进一步改进，所述超表面的介质衬底材料为FR-4，其介电常数为：εr＝4.3+0.025i。
作为本发明的进一步改进，在所述超表面中，上下两层人工微结构相同，下层微结构较之上层微结构比整体顺时针扭转了40°，引入了手征特性。
作为本发明的进一步改进，所述超表面对于左旋波LCP和右旋波RCP的折射率不同。
本发明的有益效果是：1.本发明提出的超表面，结构为超薄型贴片结构，其厚度在微波波段2-4GHz仅为0.1毫米。超表面整体体积很薄，非常适合应用于小体积集成电磁器件。2.本发明提出的超表面可以实现很大频段内的纯净的旋光角，并且最大的转动角能达到125°。3.本发明除了上述的功能性有益效果还具备制作简单，成本较低，可简单采用PCB加工工艺进行制作。
附图说明
图1是本发明的微波段双层双金属线结构超表面的单元结构示意图；
图2是为左旋光与右旋光入射的透射谱与反射谱(其中-代表LCP；+代表RCP)；
图3是左旋光与右旋光入射的透射相位；
图4是旋光角和椭圆度随入射光频率变化图；
其中图1中1代表的相同颜色区为上层结构，2代表的相同颜色区为下层结构，1和2都是完美电导体(在低频微波频段可以为铜，铝，铁等金属)；区域3为介质衬底区域。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明一种微波段双层金属线结构手征超表面，该超表面包含n个单元结构，其中n为大于等于2的整数，所述单元结构包括上层人工微结构、介质衬底以及下层人工微结构；所述单元结构具有四重旋转对称性，其包含四个基本元胞结构，每个基本元胞结构为双金属线天线。
所述双金属天线在微波段2.4GHz厚度为0.1毫米，为超薄型贴片结构。
所述基本元胞结构中每组金属线都偏转了特定角度，但是其延长线构成一个正方形。
所述金属线是两条尺寸完全相同的平行铜箔。
所述超表面的介质衬底材料为FR-4，其介电常数为：εr＝4.3+0.025i。
在所述超表面中，上下两层人工微结构相同，下层微结构较之上层微结构比整体顺时针扭转了40°，引入了手征特性。
所述超表面对于左旋波LCP和右旋波RCP的折射率不同。
设计的平面手征结构为周期性结构，每个单元结构如图1所示.它是由分布在介质层两面的双金属线构成，上层由四条依次旋转60°，150°，240°和330°的金属线按一定的位置排列，下层的每对金属线对应于上层金属线顺时针旋转40°的角度，如图1所示.具体结构参数如下:周期P＝35*4mm，金属线的长度l＝24.5mm，宽度w＝3.5mm，介质层的厚度h＝8.75mm。其中金属层为铜，介质层采用的是FR-4。对周期结构采用频域有限元方法进行模拟计算。平面波垂直于结构表面入射，垂直于波的传播方向上采用周期性边界条件。附图2是该超表面的LCP波和RCP波所对应的透射谱和反射谱(用DB表示)，可以看出超表面对于LCP波和RCP波的透射是不同的。附图3是两者的透射相位。
平面手征结构的光学活性主要体现在结构的圆二色性和旋光角θ上，其中圆二色性表征的是手征介质中传播的RCP波与LCP波透射谱之间的差异；旋光角θ则指手征介质对入射光偏振面的旋转能力，其定义为：θ＝[arg(T++)-arg(T--)]/2，椭圆度η＝arctan[(T++-T--)/(T+++T--)]，它们产生的机理是由于双层平面手征金属微结构之间的电磁耦合。附图4是计算的旋光角θ和椭圆度η随入射波频率变化。从图中可以看出：1.在很大的波段内(2GHz～2.85GHz和3.5GHz～4GHz)，η≈0，即纯净的光学活性，此时，线偏振的入射波出射时仍是线偏振，只是偏转了θ角度。2.存在三个θ＝0的频率，这说明可以在不扭转偏振面的前提下，超表面改变入射波的椭圆度。3.尤其图中圆圈标出的位置η≈45°，即这个频率的线偏振波入射时，可以得到圆偏振的出射波(或者相反)。4.θ很大，可以达到125°，大的旋光角可以轻易的产生负折射率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微波段双层金属线结构手征超表面，其特征在于：该超表面包含ｎ个单元结构，其中n为大于等于2的整数，所述单元结构包括上层人工微结构、介质衬底以及下层人工微结构，所述单元结构具有四重旋转对称性，其包含四个基本元胞结构，每个基本元胞结构为双金属线天线；
所述双金属天线在微波段2.4GHz厚度为0.1毫米的薄贴片型结构；
所述基本元胞结构中每组金属线都偏转了预设角度，但是其延长线构成一个正方形。
2.根据权利要求1所述的微波段双层金属线结构手征超表面，其特征在于：所述金属线是两条尺寸完全相同的平行铜箔。
3.根据权利要求2所述的微波段双层金属线结构手征超表面，其特征在于：所述超表面的介质衬底材料为FR-4，其介电常数为：εr＝4.3+0.025i。
4.根据权利要求3所述的微波段双层金属线结构手征超表面，其特征在于：在所述超表面中，上下两层人工微结构相同，下层微结构较之上层微结构比整体顺时针扭转了40°，引入了手征特性。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微波段双层金属线结构手征超表面，其特征在于：所述超表面对于左旋波LCP和右旋波RCP的折射率不同。
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