极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线及机械调控方法技术

本发明专利技术公开了极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线及机械调控方法，属于太赫兹通信技术领域，从上到下依次包括激励结构层

【技术实现步骤摘要】
极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线及机械调控方法


[0001]本专利技术属于太赫兹通信
，具体涉及一种极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线及其机械调控方法
。

技术介绍

[0002]随着太赫兹通信技术的发展，研究人员对太赫兹通信器件
(
模拟链路相关的高频模拟分立器件
)
开展了全面深入的探索，例如：太赫兹功率放大器
、
太赫兹倍频器
、
太赫兹混频器
、
太赫兹天线等
。
而这些相关器件的性能指标与太赫兹频段优异性质的利用程度直接相关，例如：太赫兹的宽频谱资源
、
高速数据传输能力
、
通信跟踪捕获能力以及抗干扰
/
抗截获能力等
。
为了进一步加快太赫兹通信器件的应用和产业化进程，面向未来的实际应用还需要在器件可调自由度
、
小型化以及集成化上不断实现核心技术的突破
。
其中，天线作为通信系统中负责收发信号的关键部件，是太赫兹通信技术进步无法绕过的一环
。
[0003]现有太赫兹天线的研究中，主要聚焦在：一
、
石墨烯基太赫兹天线；二
、
硅基太赫兹天线；三
、
赝表面等离激元太赫兹天线等
。
上述不同材质和类型的天线研究一定程度上满足了太赫兹天线在频段
、
增益等性能上的要求
。
更具体地，对于石墨烯基天线，其工作频率
、
方向图等辐射性能可以通过改变外部栅极电压施加的电场来控制电导率的方式进行动态调控；对于硅基透镜天线，其增益较高且可实现不依赖于频率的多波束控制；对于利用赝表面等离激元设计的太赫兹天线具有较大带宽的优点
。
[0004]但上述研究也存在着若干缺陷，限制着其应用价值
。
这些缺陷包括：
[0005]一
、
部分天线原有的结构复杂或仅能通过增加设备尺寸来解决性能上的不足，导致其体积较大，集成能力差；
[0006]二
、
对于非宽带的太赫兹天线，其频谱资源的利用率不高；
[0007]三
、
部分天线功能单一，缺少有效调控性能的手段；
[0008]四
、
制造方法复杂，对工艺要求较高，成本高昂，难以实现批量化生产
。
[0009]因此，目前的研究中，性能要求和应用价值仍然是这个领域的研究重点
。
基于以上分析，研究和设计满足上述需求的太赫兹天线对下一代无线电通信
、
智慧城市
、
绿色
5G
等众多领域的发展有着潜在的帮助
。

技术实现思路

[0010]为了克服现有技术不足，本专利技术提供了极化可切换赝表面等离激元太赫兹天线及其机械调控方法，本专利技术通过机械的方式对周期性结构进行独立调控，实现电磁波信号在线极化
、
椭圆极化和圆极化之间的灵活切换；该天线结构简单
、
制造方法成熟
、
成本较低
、
极化状态可独立调控等优势，因此在实现批量化生产
、
系统集成
、
极化复用及加密通信等方面的应用上具有极大的潜力
。
[0011]本专利技术的原理如下：
[0012]本专利技术通过机械的方式对周期性结构进行独立调控，实现电磁波信号在线极化
、
椭圆极化和圆极化之间的灵活切换
。
[0013]金属表面自由振荡的电子与介质表面的光子相互作用时，产生沿着金属
‑
介质分界面传播的一种电子和光子的混合激发态，即表面等离激元
(surface plasmon polariton
，
SPP)。
在光频段，金属的介电常数为负，可以在金属
‑
介质交界面激发
SPP。
但是，当频率下降到微波毫米波段后，金属的特性将趋近于完美电导体，不再具有负介电常数特性，因此自然界几乎不存在支持微波
、
毫米波段
SPP
模式的材料
。
而赝表面等离激元
(Spoof SPP
，
SSPP)
作为
SPP
的拓展和补充，通过人工设计周期阵列，在低频段人为地构造出负介电常数材料，模拟出表面等离激元的性质，把光波束缚在亚波长的范围内
。
[0014]SSPP
的传播具有几点特性：第一
、
它是一种表面波，其能量时沿着表面传播；第二
、SPP
波在界面的两侧按指数规律衰减，是消逝波，因此
SPP
被强烈束缚在界面附近一个很小的尺度范围内具有场增强效应；第三
、SPP
波为
TM(transverse magnetic)
波，其电场有两个分量，一个沿着传播方向，另一个沿着表面的法线方向，两个方向相互正交，因此
SPP
波具有自旋电场
。
[0015]本专利技术利用逆自旋霍尔效应，使带有自旋电场的表面等离激元波与扰动元件
(
圆柱或长方体
)
产生相互作用，产生镜像的左旋极化波和右旋极化波
(
包括圆极化和椭圆极化
)
，而根据矢量叠加原理，两个旋向相反的椭圆极化波或圆极化波可产生线极化波：
[0016][0017][0018][0019]其中，为左旋极化的电场，为右旋极化的电场，
a
为
y
方向电场分量的振幅
。
当
a
为1时，电场为圆极化；当
a
为其他非零值时，电场为椭圆极化
。
[0020]由于
SSPP
结构支持表面波，因此极化波的辐射效率较低，故将扰动元件设计成周期性元件
。
在漏波原理的指导下，当导波结构为周期性结构时，根据
Floquet
理论，这种周期性会引入一系列空间谐波，每个谐波由相位常数
β
n
来表征：
[0021]β
n
d
＝
β0d+2n
π
[0022]其中，
d
是导波结构的周期长度，
β0为基本空间谐波
。
这些引入的空间谐波中会出现快波，产生辐射
。
除此之外，本专利技术使用机械装置改变位移结构的位置，使太赫兹天线发射的电磁波在线极化
、
椭圆极化和圆极化之间灵活切换，实现极化复用
。
[0023]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0024]极化可切换的赝表面等离激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，从上到下依次包括激励结构层
(1)、
辐射结构层
(2)
及底板
(3)
；所述激励结构层
(1)
由标准波导端口
(4)
及喇叭增益结构
(5)
组成，所述标准波导端口
(4)
的左端与辐射结构层
(2)
的左端对齐，右端与所述喇叭增益结构
(5)
贴合；所述辐射结构层
(2)
由支撑板
(7)、
位于支撑板
(7)
上表面的赝表面等离激元结构
(6)、
从支撑板
(7)
的下表面插入的位移结构
(8)
组成，所述位移结构
(8)
可在支撑板
(7)
的中间插孔内上下移动
。2.
如权利要求1所述的极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，激励从波导端口
(4)
传入，经喇叭增益结构
(5)
和赝表面等离激元结构
(6)
的前端实现渐变阻抗匹配，在赝表面等离激元结构
(6)
处激发出表面波，表面波经历赝表面等离激元结构
(6)
的侧边的位移结构
(8)
的扰动后，原本传播的慢波转为辐射的快波
。3.
如权利要求1所述的极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，所述激励结构层
(1)
的底面与辐射结构层
(2)
的顶面贴合，所述激励结构层
(1)
的喇叭增益结构
(5)
的底部设置有多个连接柱，所述辐射结构层
(2)
的支撑板
(7)
的相应位置上也设置有多个连接通孔，所述多个连接柱插入所述多个连接通孔内，使激励结构层
(1)
固定在辐射结构层
(2)
之上；所述底板
(3)
的左端与辐射结构层
(2)
的左端对齐，顶面和辐射结构层
(2)
的底面贴合，底板
(3)
的上表面设置有多个连接柱，所述多个连接柱的位置
、
大小与喇叭增益结构
(5)
的底部设置的多个连接柱相同；所述底板
(3)
的上表面的多个连接柱插入辐射结构层
(2)
的支撑板
(7)
上的多个连接通孔内，使辐射结构层
(2)
固定在底板
(3)
上
。4.
如权利要求1所述的极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，所述赝表面等离激元结构
(6)
为一系列突出的周期相同的金属柱，呈直线式分布在支撑板
(7)
的中间位置；赝表面等离激元结构
(6)
分为前端和后端两部分，赝表面等离激元结构
(6)
的前端利用金属柱的高度变化实现阻抗匹配，其高度由零渐变到所设计的高度；赝表面等离激元结构
(6)
的后端为一系列高度相同的金属柱；赝表面等离激元结构
(6)
的前端长度为目标频率范围的中心频率波长的4‑6倍；赝表面等离激元结构
(6)
的后端长度为目标频率范围的中心频率波长的
12
‑
20
倍
。5.
如权利要求1所述的极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，所述支撑板
(7)
为“П”型长方体，由一块顶板
、
一个连接块和一块侧板组成；所述支撑板
(7)
的连接块位于辐射结构层
(2)
的最左侧，连接块内设有连接通孔，连接通孔与所述激励结构层
(1)
的喇叭增益结构
(5)
的底部所设的连接柱位置相对应；所述支撑板
(7)
的侧板位于辐射结构层
(2)
的最右侧；所述支撑板
(7)
的顶板上设有两排插孔，所述插孔平行分布在赝表面等离激元结构
(6)
的两侧；插孔形状分别为圆形和矩形，圆形插孔与矩形插孔间隔相同，交错分布
。6.
如权利要求5所述的极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，所述圆形插孔的顶点与赝表面等离激元结构
(6)
的金属柱的侧边距离为目标频率范围的中心频率波长的
1/20
‑
1/10
；矩形插孔顶边与赝表面等离激元结构
(6)
的金属柱侧边紧密贴合
。7.
如权利要求1所述的极化可切换的赝表面等离激元太赫兹天线，其特征在于，所述位移结构
(8)
包括两个周期圆柱结构
(9)
及两个周期长方体结构
(10)
；所述周期圆柱结构
(9)
由第一定位板
(11)
及一维圆柱阵列
(12)
组成；所述第一定位...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐速，许兆华，覃智君，陈岐岱，孙洪波，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：