[发明专利]一种气压驱动的太赫兹超材料调制器

说明书

本发明公开了一种气压驱动的太赫兹超材料调制器。调制器由两个相互平行的超材料密封构成。这两个超材料具有相同的金属谐振结构分布周期和分布方向。使用气压可以调节它们之间的距离，从而改变谐振结构间的耦合状态，从而实现目标频率太赫兹波的调制。本发明公布的调制器虽然加工工艺简单，但是依然具有较高的调制幅度和较宽的有效频段。本发明可以应用于微波段、太赫兹波段。

技术领域

本发明涉及一种使用气体压力进行驱动的太赫兹波段超材料调制器，属于人工超材料和电磁波调制技术领域。

背景技术

由亚波长周期性结构构成的人工超材料为太赫兹波调制器的设计提出了一条全新的方向。多种基于超材料的太赫兹调制器已经在通信、成像等领域得到验证。

按照原理不同，可调超材料可分为材料调节和重构调节两类。材料调节，如光控半导体方案、电动石墨烯方案、温控氧化钒方案、温控超导材料方案等，都是利用天然材料介电常数的可调节实现超材料调制器的调节。因此其调节性能受到材料性能的限制。重构调节是将超材料谐振单元加工成相互耦合的固定和可动两部分，利用两者的位置变化实现对目标频率电磁波的调制。由于可由人工设计和优化谐振单元，重构方式的调节能力较高。

按照驱动方式不同，重构调节又分为机械驱动、静电驱动、磁力驱动和气压驱动等。其中气压驱动方式要求使用弹性材料将可动部分和固定部分相连，同时设计气路，使增加气压时，气体压力克服弹力另可动部分移动，减小气压时，弹力另可懂部分恢复原位。由于气压可正可负，谐振结构的可动部分也可双向运动，因而增加了超材料的调节范围。而且气动调节的驱动能力较强，均匀性好。但是目前的气动调节方案，同重构调节的其他方案一样，都需要使用复杂的多层MEMS工艺加工谐振单元的可动部分。而气动调节方案还需要设计气体通路，因而加工工艺更加复杂。

作为工艺简化，出现了将超材料谐振单元的两个部分加工在同一片柔性基底的方案。使用气压驱使柔性基底膨胀或收缩，从而改变两个部分的相对位置，完成超材料的调节。但是由于是加工在同一片柔性基底上，由基底变形引起的位置变动有限，因而减小了调节范围。同时为了维持各谐振单元的变化均匀，每个谐振周期都需要自己的支撑结构。而支撑结构和气体管路的加工依然复杂。

因此如何设计超材料结构，在实现调节功能的基础上，简化其加工工艺，是目前研究者所面临的一个难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，使用气压直接调整两片相互耦合的超材料的整体间距，从而实现目标频率太赫兹波的调制。

本发明提供了如下技术方案：一种气压驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于：包括第一超材料、第二超材料、密封圈和导管；所述密封圈位于所述第一超材料和所述第二超材料中间，所述导管穿过所述密封圈，所述第一超材料、所述第二超材料、所述密封圈和所述导管组成一个仅通过所述导管与外界连通的气室；所述第一超材料由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第一金属谐振单元构成，所述第二超材料由片状基底和在基底的一个表面上呈二维周期性分布的第二金属谐振单元构成；所述第一超材料和所述第二超材料中至少有一个采用柔性材料作为基底；所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元具有相同的分布周期和排布方向。

进一步地，所述密封圈的厚度均匀且必须小于在所述导管吸气造成所述气室处于负压状态时，所述第一超材料和所述第二超材料内凹高度之和，以保证所述第一超材料的中心区域和所述第二超材料的中心区域紧贴在一起。

进一步地，所述第一金属谐振单元和所述第二金属谐振单元能够相互耦合，且所述耦合对所述第一超材料和所述第二超材料的间距敏感。

进一步地，所述第一金属谐振单元分布在所述第一超材料朝向所述第二超材料的表面上；所述第二金属谐振单元分布在所述第二超材料朝向所述第一超材料的表面上。