一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器

1.本发明涉及一种可重构反射型极化转换器，尤其是涉及一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器。


背景技术：

2.随着电子对抗和通信技术的高速发展，对于电磁波调控的需求越来越强烈，而极化状态是电磁波重要的矢量特征，对极化状态的调控在光波领域、微波通信和雷达抗干扰中都有广泛的应用，因此，对于电磁波极化状态的调控技术成为电磁研究领域的一个重要课题。平面波的极化是指电场在电磁波传播平面中的震荡方向。
3.极化转换器(metamaterials,mms)也称为人工材料，具有许多自然界煤质所不具备的奇特性质，可以实现电磁波的灵活调控，是一种介电常数或磁导率至少有一个为负的新型人工复合材料，其一般由周期性结构组成。基于这些奇异特性已经制备了许多特殊功能的器件和材料，如完美吸收器、滤波表面及极化转换表面(polarization conversion metasurface,pcm)等。利用极化转换器进行电磁波的极化调控，主要分为透射型和反射型极化转换器，普遍认为，透射型极化转换器存在损耗大、频带窄等缺点，而反射型则在这两个方面的能力有很大的提升，但工作频带窄仍然是限制其工程应用的主要原因。利用多点谐振拓宽其工作频带是一个研究方向，xi gao等人利用双v型金属表面设计了超宽带高效线性极化转换器，徐进等人利用方形开口环设计了超宽带线性极化转换器，二氧化钒是一种典型的强电子关联型金属氧化物，在受到外界刺激如热量、电压或光照等条件时，能够由低温绝缘态(m相)向高温半导体态(r相)发生可逆转变，晶格结构由单斜金红石结构转变为四方金红石结构，电阻率会有3-5个数量级的突变，在新型存储器件、智能电磁防护材料领域、太赫兹技术具有巨大的应用潜力。
4.由于利用光栅、双色性晶体等传统极化手段，存在结构复杂、尺寸庞大和工作频带窄等缺点，限制他们在实际工程中的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器，实现温度和电压对转换器工作状态的控制，具有对入射电磁波极化和入射角不敏感的特性，具有强大的可调性、频率灵活性、以及易于拓展到太赫兹甚至光波段的潜力，制造工艺简单，在天线辐射、雷达散射截面缩减等电磁波动态调控领域具有巨大的应用价值。
6.本发明提供一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器，包括从下到上依次设置的底层金属反射板、中间介质层和顶层谐振单元层，所述顶层谐振单元层包括多个方块形金属片，多个所述方块形金属片以m
×
n的形式周期性排列在所述中间介质层上从而形成周期阵列，相邻所述方块形金属片之间涂覆相变材料；所述相变材料为vo2纳米粉末分散于pvp基体中得到。
7.本发明通过在顶层谐振单元层相邻所述方块形金属片之间涂覆相变材料，相变材
料为vo2纳米粉末分散于pvp水溶液基体中得到，实现超表面的可重构性。
8.优选地，所述方块形金属片倾斜45
°
，也就是方块形金属片的边相对于中间介质层和底层金属反射板而言倾斜45
°
，所述方块形金属片的四个边均向外延伸形成延伸片，所述延伸片的一端设置接触片，所述接触片的边与所述延伸片的边呈45
°
，相邻所述接触片之间设有空隙，每个所述方块形金属片上相对的两个空隙内涂覆相变材料。
9.优选地，所述相变材料的制备方法为：首先制备pvp水溶液，后将vo2纳米粉末分散于pvp水溶液中，得到所述相变材料。
10.优选地，所述相变材料的制备方法为：首先制备质量分数为3％-10％的pvp水溶液，后将vo2纳米粉末分散于pvp水溶液中，所述相变材料中vo2的体积分数为40％-80％。采用该相变材料，薄膜成分简单，并且水性有机材料pvp更加安全环保。为保证制备的vo2相变材料的电性能稳定，综合考虑复合薄膜的力学性能和与基底的附着力等，在制备可重构极化转换器时，采用vo2的体积分数为60％，pvp的体积分数为40％。
11.优选地，所述方块形金属片和所述金属反射板均由金属覆铜组成，所采用的金属覆铜电导率σ
copper
＝5.96
×
107s/m，在大于1ghz时金属覆铜的趋肤深度小于2.06μm，金属覆铜厚度为35μm。
12.优选地，所述方块形金属片以m
×
n的形式周期性排列在所述中间介质层上从而形成周期阵列，其中m≥12，n≥11，m、n均为整数，周期p＝13-16mm。
13.优选地，所述方块形金属片的方形边长l1＝10-12mm，所述空隙的厚度为s2＝0.05-0.2mm，所述空隙的长度与所述接触片的长度相同，所述接触片长度w1＝0.3-0.7mm，所述接触片宽度s1＝0.1-0.4mm，所述延伸片宽度w2＝0.5-2mm。
14.优选地，中间介质层的厚度h2＝0.5-1mm。
15.优选地，中间介质层采用高频pcb电路板，介电常数为3-5，损耗正切角为0.001-0.0037。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.(1)本发明提供一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器，实现了电磁波的极化状态控制，实现了温度和电压对转换器工作状态的控制。仿真和实验结果表明，当vo2处于低温绝缘态时，结构由周期金属结构谐振作用下，表面实现交叉反射，而当材料处于高温金属态时，金属结构被破坏，材料可实现同极化发射。同时，由于单元结构的对称性，该转化器还具有对入射电磁波极化和入射角不敏感的特性。
18.(2)本发明提供一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器，以旋转45
°
方块形为基础设计了电控可重构极化转换器，相变前，vo2处于高阻态，该结构在6.76-7.18ghz交叉极化率高于70％，同极化率小于10％，vo2相变后，极化转换器交叉极化率几乎为0。说明vo2实现了对设计结构的电压控制，调制深度大于90％。这种基于vo2的可重构极化转换器具有很多优势，具有强大的可调性、频率灵活性、以及易于拓展到太赫兹甚至光波段的潜力，制造工艺简单，在天线辐射、雷达散射截面缩减等电磁波动态调控领域具有巨大的应用价值。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是可重构反射型极化转换器每个单元结构的侧面图；
21.图2是可重构反射型极化转换器部分结构单元的结构图；
22.图3是可重构反射型极化转换器一个结构单元的结构图；
23.图4是图3中虚线框的放大图；
24.图5(a)相变材料测试电极设计图，(b)相变材料测试电极实物图，(c)相变材料sem图；
25.图6是相变材料涂层温致相变曲线图；
26.图7不同vo2体积分数(20％、30％)的复合材料温致相变曲线；
27.图8不同vo2体积分数(70％、80％)的复合材料温致相变曲线；
28.图9不同vo2体积分数(40％、60％)的复合材料温致相变曲线；
29.图10相变材料复合薄膜相变前后的电阻与vo2体积分数的变化曲线；
30.图11左图可重构极化转换器中的相变材料的温致相变曲线，右图为可重构转换器的温致相变测试曲线；
31.图12可重构极化转换器的单列相变材料电致相变曲线；
32.图13可重构极化转换器相变前(a)和相变后(b)极化率曲线
33.图14可重构极化转换器相变前后极化转化率曲线图(a)及调制深度图(b)；
34.图15部分单元结构的实物图；
35.图16左图为可重构极化转换器相变前后的测试极化率曲线图，右图为可重构极化转换器相变前后的仿真极化率曲线图。
36.附图标记说明：
37.1-方块形金属片、2-中间介质层、3-延伸片、4-接触片、5-vo2相变材料、6-底层金属反射板。
具体实施方式
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例
41.一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器，如图1所示，包括从下到上依次设置的底层金属反射板6、中间介质层2和顶层谐振单元层，如图2所示，顶层谐振单元层包括多个方块形金属片1，多个方块形金属片1以12
×
11的形式周期性排列在中间介质层上从而
形成周期阵列(图2只画出了3
×
3部分，其余部分省略)，周期p＝14.5mm。
42.图3是其中一个单元的放大图，图4是图3中虚线框的放大图，如图2-4所示，方块形金属片1倾斜45
°
，方块形金属片1的四个边均向外延伸形成延伸片3，延伸片3的一端设置接触片4，接触片4的边与延伸片3的边呈45
°
，相邻接触片4之间设有空隙，每个方块形金属片1上相对的两个空隙内涂覆vo2相变材料5，也就是在每个方块形金属片1其中相对的两个角上涂覆vo2相变材料5，另外相对的两个角是空隙，不涂覆vo2相变材料。方块形金属片1的方形边长l1＝10.25mm，空隙的厚度s2＝0.1mm，空隙长度与接触片4的长度相同，接触片4长度w1＝0.5mm，接触片4宽度s1＝0.2mm，延伸片3宽度w2＝2mm。
43.涂覆的vo2相变材料5(下面有的地方称为相变材料)的制备方法为：首先制备质量分数为5％的pvp水溶液，后将一定量的vo2纳米粉末分散于pvp水溶液基体中，vo2的体积分数为60％，pvp的体积分数为40％。
44.方块形金属片、延伸片、接触片和金属反射板均由金属覆铜组成，方块形金属片、延伸片和接触片是一体成型，所采用的金属覆铜电导率σ
copper
＝5.96
×
107s/m，在大于1ghz时金属覆铜的趋肤深度小于2.06μm，金属覆铜厚度为35μm。
45.中间介质层采用高频pcb电路板rogers4350b，介电常数为3.48，损耗正切角为0.0037，中间介质层的厚度h2＝0.7mm。
46.对实施例制备得到的相变材料进行测试：
47.首先对vo2相变材料的电阻进行测试。
48.将制备vo2相变材料利用涂布工艺，涂覆在两电极之间，相变材料测试电极设计图如图5a，电极宽度为2mm，间距为1mm，vo2相变材料涂层干燥后的相变材料测试电极实物图如图5b所示。图5c为vo2相变材料涂层干燥后的sem表征图，由图可知vo2纳米颗粒相互搭接。vo2相变材料涂层温致相变曲线如图6所示。
49.实施例2
50.提供一种温度电压控制的可重构反射型极化转换器，与实施例唯一不同在于vo2相变材料中vo2和pvp的体积分数不同。
51.通过调整vo2相变材料中vo2纳米颗粒、pvp及去离子水的比例，制备了vo2体积分数分别为10％-90％的vo2相变材料复合薄膜，vo2和pvp的体积分数之和为100％。
52.不同vo2体积分数的复合材料温致相变曲线见图7-9。由图中曲线可以看出，制备的vo2涂层在升温和降温过程中，在68℃附近，其电阻均出现了急剧变化，说明制备的vo2涂层在温度变化下能够发生温致相变，低温30℃时，电阻为41kω，高温90℃时，电阻为320ω，电阻变化率高于2个数量级。
53.当vo2体积分数为10％时，vo2结电阻无限大，设备无法测量出来，而当vo2体积分数为20％时，只有当温度高于70℃后，才能测得电阻，如图7所示。而当电阻高于40％时，所有样品均可发生电阻突变现象，升温相变温度在70℃附近，温度高于80℃时，电阻基本不变。而根据图9中的电阻随体积分数的变化曲线分析，vo2/pvp复合材料的逾渗阈值在40％，当复合材料中的vo2体积分数高于40％时，材料的电性能变化较小。
54.相变材料复合薄膜相变前后的电阻与vo2体积分数的变化曲线见图10。
55.为保证制备的vo2复合材料的电性能稳定，综合考虑复合薄膜的力学性能和与基底的附着力等，在制备可重构极化转换器时，选择vo2的体积分数为60％。
56.实施例1是最佳实施例，对实施例1制备得到的极化转换器进行以下测试：
57.为研究vo2相变材料对极化转化超表面性能的影响，进行仿真测试。在仿真中，将vo2简化为分布电阻res，通过调整阻值大小，模拟vo2相变材料在相变前后的极化转换器性能。首先对制备的单元结构vo2和极化转换器进行温致相变测试，可重构极化转换器中的vo2相变材料的温致相变曲线如图11左图所示，可重构转换器的温致相变测试曲线如图11右图所示，可重构极化转换器中的vo2相变材料测试时，相变前电阻为18kω，相变后电阻为10ω，可重构转换器测试时，相变前单个电阻res＝(7231
×
12-2000)/10＝8477ω，相变后为res＝(7231
×
12-2000)/10＝19.6ω。
58.可重构极化转换器的单列相变材料电致相变曲线图如图12所示，由图11和图12可以看出，加载电压前单个电阻res＝(5/3.44
×
10-5-2000)/10＝14kω，电压为100v时，单个vo2电阻res＝(100/0.0413-2000)/10＝42ω。可以发现电致相变后的电阻较温致相变后的单个电阻值稍高，这个是因为在电致相变过程中，vo2中会形成导电通道，但vo2中仍存在没有发生相变的部分，温致相变中，vo2整体温度都会超过相变温度。仿真中将常温常压m相vo2电阻设置为res＝10kω，将高温高压r相vo2设置为res＝50ω。
59.当外界环境为常温常压时，vo2为高阻状态，可重构极化转换器相变前(a)和相变后(b)极化率曲线如图13所示，设计结构在6.76-7.18ghz频带内，交叉极化率大于70％，同极化率小于10％，说明vo2相变前，入射电磁波经过极化转换器反射后，大部分发生了交叉极化。且在6.81和7.13ghz处同极化率出现极小值，谐振点附近x极化和y极化电磁波基本实现了完美极化转换。
60.当温度高于vo2相变温度时，vo2转化为低阻r相，反射系数曲线如图13b所示，此时两个方向的交叉极化率几乎都为0，说明vo2相变后，极化转换器失去极化转换性能，但由图中可以看出，同极化反射率小于1，并且y极化电磁波在6.9ghz处，同极化反射率出现极小值。这是因为vo2在极化转换器中相当于电阻，震荡电流经过vo2时，会出现焦耳热效应，消耗部分能量，降低了反射效率，并且设计中仅在y方向有vo2，其对y极化电磁波的消耗效应更加强烈。
61.可重构极化转换器相变前后极化转化率见图14a及调制深度见图14b。由图14a，低温时，设计结构在6.69-7.11ghz极化转化率大于90％，高温时，极化转换率接近0，说明，vo2相变后，只有少量电磁波发生了极化偏转，此时极化转换器为同极化反射表面。综合分析可知，在温度或电压作用下，极化转换器由交叉极化转换反射表面转变为了同极化反射表面，极化转换器发生了重构，由图14b可以看出，设计的可重构极化转化器在6-8ghz范围内，调制深度大于90％。
62.采用印刷电路板技术加工可重构极化转换器，样品尺寸为180mm*180mm，由12
×
11个单元结构组成。为方便加载电压，在样板上下边缘部分分别放置电压馈线，同时为防止相变后电流突变烧毁vo2，每一路加载2kω保护电阻，由12
×
11个单元组成。
63.在极化转换器表面涂覆vo2相变材料流程为：首先根据转换器结构设计制作镂空聚酰亚胺膜，再将镂空聚酰亚胺膜贴于转换器表面，并使膜开口正对转换器顶层需要涂覆vo2相变材料的空隙位置，利用喷涂技术将vo2相变材料喷涂于聚酰亚胺膜表面，待干燥后，将镂空膜揭下，镂空位置的vo2相变材料则留于极化转换器表面。涂覆后的部分单元结构的实物图如图15所示，每个方块形金属片的四个角各对应设有一个间隙，其中相对的两个间
隙内(位于同一对角线)涂覆vo2相变材料，图15实物图中涂覆的相变材料尺寸偏大一些，部分相变材料溢出遮盖住了接触片和延伸片，实际起作用的只有空隙内的相变材料部分，空隙外的相变材料部分不起作用，但也没有影响，所以实物没有去掉溢出部分。
64.在底层金属反射板背面粘贴聚亚酰胺加热膜对样品加热。同时为实现电压控制vo2相变，利用大电流可编程直流电源(艾德克斯it6527d)为极化转换器加载电压，样品测试采用开阔场测试法。使用两个完全一致的标准喇叭天线收发信号，连接矢量网络分析仪(agilent technologies n5230a)，在6-8ghz进行测试，并将样品放置在两个喇叭天线正前方3米处，样品背面放置吸波材料以避免环境干，当收发天线一直时，可以测得同极化反射系数，调整接收天线至垂直状态，可以测得交叉极化反射系数。
65.图16左图为可重构极化转换器相变前后的测试极化率曲线图，右图为可重构极化转换器相变前后的仿真极化率曲线图。可以看出，测试结果与仿真结果基本一直，通过升高样品温度和加载直流电压实现了极化转换超表面的性能重构。
66.上述测试说明，本发明提供的可重构极化转换器实现了温度和电压对转换器工作状态的控制。
67.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。