频率可调的频率-极化双模VO2毫米波/太赫兹超表面单元

本发明属于通信，更进一步涉及无线通信中的一种频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元。本发明可用于新型双模可调超表面单元的设计。

背景技术：

1、超表面单元是人工设计的亚波长电磁结构，具有独特的物理特性。超表面单元的电磁特性是由亚波长结构和材料一起决定的。因此，通过结构设计和材料选择能产生不同的电磁特性和器件功能。除了利用超表面单元物理结构的变化来改变单元功能，也有利用特殊材料特性，通过改变外部环境实现主动调节超表面单元模态功能的调控方法，包括温度、光、电等调控方法。基于相变材料(包括石墨烯、液晶、二氧化钒等)的超表面设计，可以同时实现多模态功能电磁特性的调控。相变材料在外部激励下具有从介质态到金属态的转变(imt)特性，在此过程中，其电导率发生了数个数量级的变化。然而，在实际的通信应用中，为提高发射端的系统集成度，人们希望超表面单元具有多种可调的功能，现有的超表面单元功能大多不具备可调特性，同时，为了适应实际应用场景，人们希望对相变材料的激励方式能够简便易用，现有的相变材料激励技术比较复杂，不具备常态化的应用条件。

2、pan wu等人在其发表的论文“超表面太赫兹双频带线极化转换器设计及分析”(laser optoelectronics.prog.,vol.60,no.19,p.1930002,2023)中公开了一种反射型双模可调超表面单元。该超表面单元上的人工金属微结构由内外环嵌套组成，不同结构尺寸的内外环具有不同的谐振点以及工作带宽，两者叠加后可以实现频段间的耦合，拓宽工作频段，在两个频段内对电磁波实现线极化转换。但是，该超表面单元仍然存在的不足之处是，超表面单元的功能受制于固定的金属结构，不具备可调特性，没有实现对电磁波多维度的可调调控。

3、benwen chen等人在其发表的论文“programmable terahertz metamaterialswith non-volatile memory”(laser&photonics reviews,vol.16,no.4,p.2100472,apr.2022)中公开了一种基于二氧化钒的可擦写太赫兹超表面单元。该超表面单元具有三种工作状态，当超表面单元被泵浦光激发时，超表面单元处于“信息写入”状态；当超表面单元被电保温时，超表面单元处于“信息记忆”状态；当超表面单元自然冷却至常温时，超表面单元信息被擦除，恢复初始状态。但是，该超表面单元仍然存在的不足之处是，泵浦光激发需要较高的精度和精密实验设备，在实际应用上较为复杂，不具备常态化的应用条件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，用于解决现有超表面单元功能单一且不可调控的问题，提出一种新型超表面单元结构，用于提升超表面单元部分结构的等效电导率，规避现有二氧化钒激励方式复杂且需要高精度的问题。

2、实现本发明目的的思路是：本发明的超表面单元顶层由金属结构和二氧化钒结构组合而成。金属开口环具有线极化转换的功能，二氧化钒极化开关激励与否控制金属开口环通断，二氧化钒极化开关未激励时，金属开口环正常工作实现电磁波线极化转换，二氧化钒极化开关激励至金属态时，金属开口环开口两端连接，极化转换功能被屏蔽。二氧化钒频率微扰开关作为微扰结构，逐渐激励二氧化钒频率微扰开关，会使得内环整体在保持线极化转换工作状态下，工作频段逐渐发生移动。将内外结构结合，超表面单元作为极化转换开关，通过同时激励内、外二氧化钒，超表面单元产生极化转换效应并且工作频段发生移动，当二氧化钒激励至金属态后，超表面单元整体被屏蔽，失去极化转换和工作频段移动功能，实现了一个超表面单元调控两种电磁特性的功能。以此解决了现有超表面单元功能单一或功能不可调的问题。金属镶嵌结构由数个关于原点对称的均匀离散金属贴片组成，由于其关于原点对称，对超表面单元整体电磁特性基本没有影响。二氧化钒频率微扰开关在镶嵌进金属后，等效电导率提升，和未镶嵌金属相比，此时激励二氧化钒频率微扰开关会得到更高的等效电导率，实现更显著的频移效果。在这种情况下，内外环等效电导率差值的产生不需要由精确的分区泵浦光照射激发，而是由金属镶嵌结构产生，因此只需对超表面单元进行整体加热激励二氧化钒即可实现超表面单元的工作频率移动功能。以此解决了现有技术需要对二氧化钒进行精确泵浦光照射激励才可正常实现超表面单元功能的问题。

3、本发明的超表面单元，包括位于超表面单元上依次涂覆的地板、衬底，衬底上分别涂覆开口环，极化开关，频率微扰开关，离散贴片环。

4、所述极化开关位于开口环的开口上，将开口环的开口处空间填满，形成完整的圆环，该圆环外半径小于频率微扰开关内半径，r1+r2＜r3，r1为开口环和极化开关构成圆环的内半径，r2为开口环和极化开关构成圆环的宽度，r3为频率微扰开关的内半径；

5、所述极化开关和外环微扰开关采用二氧化钒材料；

6、所述离散贴片环由多个贴片组成，所有贴片等间距均匀分布且关于衬底的顶面中心点对称；

7、所述离散贴片环穿过并有部分镶嵌于频率微扰开关中，离散贴片环的宽度不超过频率微扰开关的宽度。

8、本发明与现有技术相比具有以下优点：

9、第一，本发明在极化开关和外环微扰开关结构上采用二氧化钒材料，利用二氧化钒电导率可变特性，实现对电磁波的极化和电磁波的谐振频率(也即超表面单元工作频率)的同时调控，实现了一个超表面单元调控两种电磁特性的功能。克服了现有超表面单元功能单一或功能不可调的不足，使得本发明对电磁波的极化和谐振频率具有调控功能的优点。

10、第二，本发明在结构上设计了离散贴片环结构，利用离散贴片环结构提升超表面单元部分结构的等效电导率，只需对超表面单元进行整体加热激励二氧化钒即可实现超表面单元相应功能。克服了现有技术需要对二氧化钒进行精确泵浦光照射激励才可正常实现超表面单元功能，使得本发明对超表面单元整体加热即可激励二氧化钒，实现超表面单元正常功能。

技术特征：

1.一种频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，包括地板(1)，衬底(2)，衬底(2)上分别涂覆开口环(3)、极化开关(4)、频率微扰开关(5)以及离散贴片环(6)，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述地板(1)、开口环(3)、离散贴片环(6)在毫米波频段和太赫兹频段的厚度t1相等，且与极化开关(4)和频率微扰开关(5)厚度相同，满足0.2μm≤t1≤0.4μm。

3.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述地板(1)、开口环(3)、离散贴片环(6)在毫米波频段和太赫兹频段，均采用电导率σ＞1×107s/m的金属材料。

4.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述衬底(2)在毫米波频段和太赫兹频段均为正方形，材质为硅、石英、氧化铝、蓝宝石、聚酰亚胺中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述衬底(2)在毫米波频段的宽度l为：2(r3+r4)＜l＜4r1，其厚度h＜1mm。

6.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述衬底(2)在太赫兹频段的宽度l为：2(r3+r4)＜l＜4r1，其厚度h＜0.1mm。

7.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述开口环(3)在毫米波频段和太赫兹频段的外半径r1+r2＜r3，r1≈0.1λ，旋转角φ满足40°＜φ＜50°，开口角α满足70°＜α＜80°；其中，r2为开口环(3)的宽度，r3为频率微扰开关(5)内半径，λ为单元工作中心频点的波长。

8.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述极化开关(4)和频率微扰开关(5)在毫米波频段和太赫兹频段的材质为二氧化钒，其厚度t1满足0.2μm≤t1≤0.4μm。

9.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述频率微扰开关(5)在毫米波频段和太赫兹频段的内半径r3＜r5，外半径r5+r6＜r3+r4＜0.5l，开口角140°＜α1＜160°，其中r4为频率微扰开关(5)的宽度，r5为离散贴片环(6)的内半径，r6为离散贴片环(6)的宽度。

10.根据权利要求1所述的频率可调的频率-极化双模vo2毫米波/太赫兹超表面单元，其特征在于，所述离散贴片环(6)的整体形状为圆形、矩形中的任意一种形状，所述贴片的形状为弧形、矩形、圆形中的任意一种形状。

技术总结本发明公开了一种频率可调的频率‑极化双模VO<subgt;2</subgt;毫米波/太赫兹超表面单元，主要解决现有超表面单元功能单一且不可调控的问题，以及规避现有二氧化钒激励方式复杂且需要高精度的问题。该单元包括地板(1)、衬底(2)，衬底上分别涂覆开口环(3)，极化开关(4)，频率微扰开关(5)和离散贴片环(6)，极化开关(4)与开口环(3)形成完整的圆环且外半径小于频率微扰开关(5)的内半径，离散贴片环(6)的宽度范围处于频率微扰开关(5)的宽度范围之内。本发明能实现一个单元调控两种电磁特性的功能，并且只需对单元进行整体加热即可实现单元功能，可用于太赫兹通信、毫米波通信以及6G通信。技术研发人员：刘海霞,雷高谋,李锐杰,冯强,韩家奇,李龙受保护的技术使用者：西安电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17