基于鈦酸鍶的動(dòng)態(tài)調(diào)控編碼超表面研究

尹克昊，張永剛，張瑞，武桂芳，梁蘭菊，姚海云

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160；3.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

太赫茲(Terahertz，THz)波介于微波和光波之間，具有高透性、低能耗性、寬帶性和指紋譜等多種優(yōu)越特性，能應(yīng)用在通信、生物傳感、波束調(diào)控與聚焦、檢測(cè)與分析、成像技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域[1]。超表面是一種亞波長(zhǎng)的周期或非周期的二維平面結(jié)構(gòu)，能夠用于對(duì)電磁波靈活多樣的多維度調(diào)控。然而在太赫茲波段，大多數(shù)材料很難實(shí)現(xiàn)對(duì)超表面相位調(diào)控[2]。當(dāng)前，人們更多使用基于有源材料的超表面來(lái)解決這個(gè)相位調(diào)控問(wèn)題[3]。梅中磊等[4]提出一種基于石墨烯的可調(diào)諧編碼超表面，其中編碼單元由各向異性矩形石墨烯結(jié)構(gòu)的頂層、中間的聚酰亞胺介電層和金屬基底層構(gòu)成，通過(guò)改變石墨烯的能級(jí)，該編碼超表面可以實(shí)現(xiàn)波束掃描功能。汪靜麗等[5]提出一種基于二氧化釩(Vanadiumoxide，VO2)的編碼超表面，利用溫度的變化實(shí)現(xiàn)兩波段1-Bit編碼。劉濤等[6]提出了基于石墨烯的可調(diào)諧輻射超表面，實(shí)現(xiàn)太赫茲波的信息加密與防偽功能，進(jìn)一步增加了石墨烯結(jié)合超表面的應(yīng)用范圍。

鈦酸鍶(Strontiumtitanate，STO)作為一種鐵電材料，是一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的中心對(duì)稱的順電態(tài)介質(zhì)。STO接近具有104F/m的介電常數(shù)的鐵電相變，介電常數(shù)ε達(dá)105F/m數(shù)量級(jí)，介電損耗tanδ可達(dá)10-2～10-3，非線性系數(shù)為3～35，壓敏電壓V在3～250 V/m之間可調(diào)，其相對(duì)介電常數(shù)受溫度影響，溫度提高會(huì)導(dǎo)致相變。所以STO也可以作為相變材料用于超表面的有源調(diào)控電磁波中。本研究提出了一種基于STO的編碼超表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲的有源頻率調(diào)控和雷達(dá)散射截面RCS縮減，為靈活調(diào)控太赫茲波提供了一種新的思路。

1 原理分析

編碼超表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要合理規(guī)劃相應(yīng)的單元編碼次序，由相位差為固定值的編碼單元有序地組成編碼陣列，實(shí)現(xiàn)可控地操控電磁波反射、聚焦、波束控制、渦流光束以及RCS縮減[7]。1-Bit編碼超表面需要相位差為180°的兩種基本單元構(gòu)成，相當(dāng)于二進(jìn)制代碼中的“0”和“1”，利用材料的相變特性實(shí)現(xiàn)編碼超表面。

當(dāng)電磁波入射到編碼超表面的陣列單元時(shí)，機(jī)理編碼超表面的遠(yuǎn)場(chǎng)的方向圖函數(shù)可以描述為[8]：

(1)

這里φ(m，n)是超晶胞的相位，D是超晶胞的邊長(zhǎng)，θ和φ是仰角和方位角。

同時(shí)，激勵(lì)編碼超表面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖函數(shù)也可以表示為：

(2)

φ=±tan-1(Γx/Γy)，φ=π±tan-1(Γx/Γy)，

(3)

其中，Γx和Γy分別代表沿著x軸和y軸編碼序列的梯度周期長(zhǎng)度。當(dāng)編碼序列只在一個(gè)方向(x或y方向)上變化時(shí)，此時(shí)的Γx=∞或Γy=∞。

STO的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)與溫度和頻率有關(guān)，根據(jù)阻尼諧振子模型，復(fù)相對(duì)介電常數(shù)可表示為[9]：

(4)

其中，ε∞= 9.6是高頻體電阻率，R= 2.3×1010m-2是溫度決定的振蕩強(qiáng)度，ω是入射太赫茲波的角頻率。ω0和r分別為軟模頻率和軟模阻尼系數(shù)，可分別寫為：

(5)

r(T)=100(bT+c)，

(6)

其中，a= 3.12×105m-2K-1；Tc= 42.5 K；b= 940 m-1K-1；c= -330 m·s-1；c是自由空間的光速，T是熱力學(xué)溫度。

設(shè)計(jì)的基于STO的溫度調(diào)控的編碼超表面參數(shù)如圖1所示。

圖1 編碼超表面原理圖

由圖1所示，超表面結(jié)構(gòu)的周期P= 100 μm，單元底層采用金屬鋁為反射層，厚度為0.2 μm；中間的介質(zhì)層是由聚酰亞胺(Polymide，PI)構(gòu)成，厚度為h=10 μm，其介電常數(shù)為3.1，損耗正切角tanδ=0.05。介質(zhì)層上方覆蓋的是STO層，厚度是0.2 μm，介電常數(shù)和損耗正切角等參數(shù)由文件導(dǎo)入電磁仿真軟件。頂層結(jié)構(gòu)是由三個(gè)完全一樣的、條狀形的金屬鋁構(gòu)成，厚度為0.2 μm，寬度是r=15 μm，長(zhǎng)度是l μm，間隔d=10 μm。

2 結(jié)果分析

通過(guò)仿真，編碼超表面兩個(gè)結(jié)構(gòu)及不同STO溫度下反射相位如表1所示。

表1 不同溫度下兩種編碼單元的各項(xiàng)參數(shù)

由表1可知，頂層的兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的金屬條長(zhǎng)分別為60、48 μm，當(dāng)STO溫度達(dá)到300 K時(shí)，在0.94 THz頻率點(diǎn)的相位分別為44.7°和-129.3°，符合1-Bit編碼條件。于是這兩個(gè)單元可以代表“0”和“1”數(shù)字編碼單元，構(gòu)成1-Bit編碼超表面。當(dāng)調(diào)節(jié)溫度到500 K，兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元在1.08 THz頻率點(diǎn)的相位分別為32°和-147.6°，相位差也近似為180°，同樣也構(gòu)成了另外一種1-Bit編碼超表面。于是可以得到該溫控超表面在0.94 THz以及1.08 THz兩個(gè)頻率點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)1-Bit的編碼功能。

進(jìn)一步分析STO提升超表面對(duì)THz靈調(diào)控的靈敏度，給出了不同溫度下結(jié)構(gòu)單元1、2和3 、4的反射幅度圖和反射相位圖。這里提出一種沒(méi)有STO覆蓋的，與結(jié)構(gòu)1、2完全相同的編碼單元結(jié)構(gòu)3、4，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的反射參數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同STO溫度下編碼超表面反射曲線

從圖2(a)(d)可以看出，在STO溫度達(dá)到300 K時(shí)，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2在0.94 THz頻率點(diǎn)的幅度反射率超過(guò)了0.6，二兩者的相位差接近180°。當(dāng)溫度提高到500 K時(shí)，STO晶體內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致碰撞頻率增高，阻礙了電子在晶體內(nèi)部的移動(dòng)，同時(shí)也阻礙了極化的發(fā)生，從而使介電常數(shù)降低，超表面的反射幅度和反射相位也因此發(fā)生變化。可以看出，不同STO溫度下，結(jié)構(gòu)1、2的反射幅度和反射相位曲線形狀沒(méi)有出現(xiàn)變化，只出現(xiàn)了工作頻率的藍(lán)移。圖2(c)(f)分別為結(jié)構(gòu)3、4的反射幅度圖和反射相位圖。可以看出，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的反射幅度雖然接近100%，但是相位差縮小，在0.6～1.2 THz頻段相位差幾乎重合，無(wú)法達(dá)到1-Bit成立條件。以上說(shuō)明STO的溫度變化可以提高超表面對(duì)太赫茲波調(diào)控的靈敏度，從而更好地主動(dòng)調(diào)控電磁波。

為了詳細(xì)的說(shuō)明結(jié)構(gòu)1、2能對(duì)THz波進(jìn)行調(diào)控，將編碼單元按照特定的順序排列形成編碼陣列，并選取3×3編碼單元成一單原子。在x偏振電磁波的垂直激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)1、2陣列在兩個(gè)不同頻率點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了關(guān)于y軸對(duì)稱的兩反射波束，而結(jié)構(gòu)3、4陣列的反射波束垂直于編碼陣列。調(diào)節(jié)STO溫度，得到不同工作頻率的超表面結(jié)構(gòu)3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同STO溫度下3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖

圖3(a)是在頻率為0.94 THz波激勵(lì)下得到的結(jié)構(gòu)的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖(STO的溫度為300 K)。編碼陣列在x方向上的序列分別為“0”“1”“0”“1”“0”“1”“0”“1”，在y方向上的序列與x方向一致。編碼陣列在入射太赫茲波的激勵(lì)下反射兩束在y方向上對(duì)稱的波束，強(qiáng)度最高達(dá)到53.8 dB。當(dāng)溫度提高到500 K，編碼序列保持不變，因?yàn)镾TO介電常數(shù)隨溫度發(fā)生改變使得器件的反射相位發(fā)生變化。由圖3(b)可知，在x偏振1.08 THz的電磁波激勵(lì)下，編碼陣列反射兩束在y方向上對(duì)稱的波束，電磁波的反射強(qiáng)度增強(qiáng)到55.7 dB，偏轉(zhuǎn)角度沒(méi)有變化。這種情況與圖2(d)(e)在STO溫度改變的情況下，反射相位只出現(xiàn)藍(lán)移的情況是一致的。圖3(c)(d)給出了相同序列下，結(jié)構(gòu)3、4構(gòu)成陣列的3D散射遠(yuǎn)場(chǎng)圖，可以看出，編碼陣列在0.94 THz和1.08 THz頻率電磁波的激勵(lì)下反射一個(gè)垂直波束。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于STO的編碼超表面可以在單元結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)改變STO的溫度實(shí)現(xiàn)超表面的諧振頻率的平移。同時(shí)編碼陣列反射兩束對(duì)稱的電磁波，解決了純金屬編碼超表面對(duì)THz波調(diào)控的靈敏度低的缺點(diǎn)。

為了進(jìn)一步證明基于STO的編碼超表面結(jié)構(gòu)在波束調(diào)控上比金屬編碼超表面結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)，這里選擇不同的編碼序列，觀察其對(duì)應(yīng)的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖。選取3×3編碼單元作為單原子。編碼序列在x方向上是“0”“1”“0”“1”“0”“1”“0”“1”/“1”“0”“1”“0”“1”“0”“1”“0”。相同陣列不同溫度下的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖如圖4所示。

圖4 不同STO溫度下3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖

圖4(a)給出了在STO溫度為300 K，在x偏振垂直入射的0.94 THz電磁波的激勵(lì)下，陣列反射得到的四個(gè)波束，可以看出其反射波束是兩兩相互對(duì)稱的，反射強(qiáng)度最高達(dá)到60.6 dB，這意味著該編碼超表面可以同時(shí)調(diào)控四個(gè)不同方向反射電磁波。圖4(b)為當(dāng)STO的溫度提高到500 K時(shí)，在編碼單元結(jié)構(gòu)和編碼序列不變的情況下，編碼陣列在x偏振垂直入射的1.08 THz電磁波的激勵(lì)下得到的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖。由圖3可知，中心位置的電磁波稍微減弱，反射強(qiáng)度最高達(dá)到63.7 dB，偏轉(zhuǎn)角度幾乎沒(méi)有變化。3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖的展示的偏轉(zhuǎn)角度、反射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)和兩波束的散射圖一致，符合圖2(d)(e)在STO溫度改變的情況下，反射相位只出現(xiàn)藍(lán)移的情況。圖4(c)(d)展示的是相同序列下純金屬編碼超表面的3D散射遠(yuǎn)場(chǎng)圖，從3D散射遠(yuǎn)場(chǎng)圖可以看出，編碼陣列在0.94 THz和1.08 THz頻率電磁波的激勵(lì)下反射一個(gè)垂直波束。結(jié)果證明編碼陣列可以通過(guò)改變STO的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)工作頻率的藍(lán)移，構(gòu)成多功能器件。

近年來(lái)，編碼超表面在減少RCS的應(yīng)用中逐漸發(fā)展起來(lái)。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的編碼超表面可以將垂直入射的電磁波散射到各個(gè)方向，使得各個(gè)方向的反射波能量都較低，實(shí)現(xiàn)RCS的降低。編碼超表面的RCS函數(shù)表示為：

(7)

為了驗(yàn)證編碼超表面可以實(shí)現(xiàn)RCS縮減，計(jì)算時(shí)在x偏振垂直入射的0.94 THz和1.08 THz電磁波激勵(lì)下，對(duì)比金屬編碼超表面和STO溫度為300 K和500 K的編碼超表面反射電磁波產(chǎn)生的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同STO溫度下隨機(jī)序列的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖

在金屬編碼超表面的3D遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖中，其散射峰集中，而STO的編碼超表面反射出的電磁波是分散的，呈現(xiàn)出類似于一種漫反射的現(xiàn)象。當(dāng)編碼超表面在STO溫度達(dá)到300 K時(shí)，反射強(qiáng)度最高達(dá)到53.7 dB，反射角接近90°。調(diào)節(jié)STO溫度到500 K，反射角幾乎沒(méi)有變化，反射強(qiáng)度稍微減弱。金屬結(jié)構(gòu)的編碼超表面在0.94 THz和1.08 THz電磁波激勵(lì)下，得到單一的、垂直于陣列的波束，可以看出，基于STO的編碼陣列實(shí)現(xiàn)了RCS的縮減。

3 結(jié)論

STO作為一種鐵電材料，其相對(duì)介電常數(shù)受溫度影響，溫度提高會(huì)導(dǎo)致相變。所以STO也可以作為相變材料用于超表面的有源調(diào)控電磁波中。提出的基于STO的主動(dòng)調(diào)控反射型編碼超表面，可以在STO溫度為300 K或500 K時(shí)實(shí)現(xiàn)不同的頻率點(diǎn)1-Bit編碼。同時(shí)對(duì)于相同序列的編碼陣列，施加STO不同溫度能夠?qū)崿F(xiàn)不同諧振頻率的兩波束和四波束，反射波束的幅度和偏轉(zhuǎn)角度接近，調(diào)控STO的溫度可以實(shí)現(xiàn)多波束控制和RCS的降低。這種編碼超表面將在雷達(dá)、成像、寬帶通信等方向具有重要意義。