[发明专利]太赫兹电控谐振切换式超表面相移装置

说明书

太赫兹电控谐振切换式超表面相移装置，涉及超材料以及电磁功能器件领域。本发明包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层，所述相移结构层包括以M×N正交阵列方式设置的相移单元，每个相移单元包括一个矩形开口谐振环，谐振环的开口位于其所在边的中点位置，在谐振环的开口处，谐振环的的两个端点各自与一个长方形金属条连接，连接点位于长方形金属条的长边的中心，长方形金属条长边垂直于开口所在的谐振环的边；在开口处的两个长方形金属条之间，介质基板的上表面设置有欧姆贴片。本发明相移范围扩大至330度，进一步提高器件的集成度以及阵列的控制精度。

技术领域

本发明涉及超材料以及电磁功能器件领域。

技术背景

太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在物理、化学、电子信息、成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。

相控天线阵具有波扫描更灵活、抗干扰性能更强等优势。移相器作为相控天线阵的关键组件，其性能直接决定相控阵的性能，因此研究高性能的移相器对研究低损耗高性能的太赫兹波段相控天线阵具有极其重要的现实意义。传统移相器一般基于铁氧体材料、正-本征-负二极管、场效应晶体管等开关阵列来实现。铁氧体材料体积大、成本高且不易于集成，而半导体开关的损耗大、线性度差等问题阻碍了移相器在太赫兹波段的应用。人工微结构结合相变材料是一种新型亚波长周期性人工结构材料，具有可设计性和可调控性的特点，可以通过改变其相变材料的状态特性，来调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。

近年来随着半导体材料及技术的发展，电控晶体管展现出了卓越的表现，成为了当今微电子产业的核心。微结构阵列是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性，人工微结构目前包含频率选择表面结构(FSS)、人工超材料(metamaterial)等。随着近代微细加工技术的发展，人工微结构在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。

针对现有技术的缺陷和需求，本发明基于HEMT晶体管-超表面微结构复合阵列实现单元相位调制，采用外部电控手段控制复合超表面微结构阵列的电子气特性和谐振模式对太赫兹波进行相位调控，是目前国际该方向最前沿的研究之一，也是实现先进扫描技术的全新途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、损耗小的可调控相移阵列。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太赫兹电控谐振切换式超表面相移装置，其特征在于，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层，

所述相移结构层包括以M×N正交阵列方式设置的相移单元，每个相移单元包括一个矩形开口谐振环，谐振环的开口位于其所在边的中点位置，在谐振环的开口处，谐振环的的两个端点各自与一个长方形金属条连接，连接点位于长方形金属条的长边的中心，长方形金属条长边垂直于开口所在的谐振环的边；在开口处的两个长方形金属条之间，介质基板的上表面设置有欧姆贴片，在欧姆贴片上方设置有掺杂异质线，掺杂异质线与两个长方形金属条平行且等距，M、N皆为大于2的整数；

在相移单元阵列中，每一列相移单元的两侧皆沿列线方向分别设置有一条阴极引出线和一条阳极引出线，每一列相移单元皆位于对应于该列的阴极引出线和阳极引出线之间；

各列中，相移单元的掺杂异质线连接至该列的阳极引出线，开口谐振环连接至该列的阴极引出线；

各阴极引出线皆与同一根阴极总线连接，阴极总线具有一个外部阴极连接端；各阳极引出线彼此独立。