[实用新型]一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面

说明书

本实用新型公开了一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面，包括由下至上依次层叠的底层金属反射板、第一介质基板、第二介质基板及顶层的谐振单元，所述谐振单元由两个呈I形的金属贴片及连接两金属贴片的一字形石墨烯贴片，所述金属贴片与石墨烯贴片共同组成一个呈H形的谐振单元。本实用新型采用石墨烯贴片和金属贴片共同工作，通过改变石墨烯贴片的费米能级，实现了太赫兹波段内的超宽带线‑圆极化转换和圆极化工作频带可调控的目的。

技术领域

本实用新型涉及一种超材料的应用，特别是一种基于石墨烯的可调控超宽带圆极化超表面，属于太赫兹器件技术领域。

背景技术

随着科技的进步，太赫兹科学也越来越受到世界各国的关注，大量人力物力投入到了太赫兹科学的研究。太赫兹波在电磁波谱中位于微波到红外的过渡位置，频率范围覆盖了0.1THz到10THz。随着太赫兹科学的发展，太赫兹技术在电信、敏感检测和遥感等领域显现出广阔的应用前景。对太赫兹波极化状态的有效操控是太赫兹科学与技术研究的热点。随着社会信息化程度的不断提高，线极化波愈来愈难以满足如今严格的通信要求，由于圆极化波的众多优势，如降低极化不一致导致的能量损耗，降低雨雾天气和建筑物的干扰性，消除无线电信号传输时在电离层因为法拉第旋转效应而引发极化畸变所造成的影响等等，使得圆极化技术被广泛地应用于通信、遥测、雷达、电子侦察和干扰等系统中，所以研究太赫兹波段的线-圆极化转换技术至关重要。

亚波长结构超材料具有一些超常物理特性，如负折射率、圆二色性、极化调控等，所以可以通过超材料来获得自然界难以获得的强各向异性。而超表面是由超材料结构单元组成的一种二维阵列，根据广义斯涅尔定理，超表面能够灵活地调制电磁波的极化方式、相位、传播方向等。但对于大多数情况，超表面结构一旦固定，工作范围很难再发生改变，为得到可调谐的宽圆极化工作范围就不得不引入大量的集总元件，控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造

石墨烯就能很好的解决这一问题，石墨烯作为一种超薄、结构坚固、性能良好的半金属薄膜材料，自问世以来就受到了人们的广泛关注。石墨烯等离子体谐振与自由空间电磁波之间的相互作用能够改变电磁波的电磁特性，因此周期性图案化的石墨烯结构可以作为超表面的单元结构调控对应频段电磁波的特性。同时石墨烯的电导率具有可调性，能够通过外加电压等方式改变石墨烯等离子体谐振特性，进而实现对超表面工作状态的动态调控。所以使用石墨烯超表面来实现线-圆极化转换成了近些年的研究热点。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种石墨烯宽带可调控圆极化超表面，包括由下至上依次层叠的底层金属反射板、第一介质基板、第二介质基板及顶层的谐振单元，所述谐振单元由两个呈I形的金属贴片及连接两金属贴片的一字形石墨烯贴片，所述金属贴片与石墨烯贴片共同组成一个呈H形的谐振单元，可以实现THz波段超宽带线-圆极化转换。。通过改变外加在石墨烯贴片与第二层介质基板之间的偏置电压的大小来调控石墨烯贴片的费米能级，当费米能级减小时，3dB轴比带宽增大且向低频覆盖，从而可以实现圆极化工作范围的动态转移。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：所述I形金属贴片的两长侧端呈弧形内凹，由一个长度a＝49.9μm，宽度b＝28.4μm矩形结构剪去两个相同的弓形结构构成，所述弓形结构的弦长与矩形结构的边长相等，所述弓形结构对应的圆心角为64°3′22″。所述金属贴片关于x轴对称，且两个金属贴片中心相距c＝33.2μm。

进一步的，所述石墨烯贴片由一个长度c＝33.2μm，宽度d＝5.8μm的矩形结构剪去两个I形的金属贴片构成，所述矩形结构的宽边经过金属贴片中心，所述石墨烯贴片中心与金属贴片中心均位于y轴上。

所述石墨烯贴片由单层碳原子紧密排列构成，且石墨烯贴片与第二层介质基板之间加载用于激励石墨烯贴片的偏置电压，并通过调节不同的偏置电压来改变的石墨烯贴片的费米能级。