一种基于零折射率超材料的高定向度太赫兹环行器

摘要

本发明提供了一种基于零折射率超材料的高定向度太赫兹环行器，包括设置在环行器内部的三个由零折射超材料介质组成的立方体结构，三个立方体结构排布成Y形结构，每两个立方体结构之间朝外的夹角对应一个金属外壳围成的端口，金属外壳内填充有空气，三个立方体结构在Y形结构中间围合成的三角形，三角形内设置有三角金属壳。本发明独创的结构，将零折射超材料应用于环行器设计，使整体设计均在微米尺寸下，实现电磁波由任意角度入射，单向环行，反向隔离；通过加入超材料，折射率为零，有效利用零折射材料特性提高环行器性能，使其适用于太赫兹频段，实现高定向度。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹固态器件领域，尤其涉及在太赫兹多路通讯和近代雷达中的一种基于零折射材料的新型太赫兹环行器。

背景技术

环行耦合器是定向耦合器的一种，广泛应用于微波系统及毫米波领域。环行器是一种多端口无源器件，其中电磁波传输只能沿单向环行，反方向则隔离。目前在微波通讯中具有重要地位，常用作微波通讯或者电子器件的基础系统元件，被应用于移相器、计数器、功率放大器等元器件的设计电路中。一般根据其各端口的能量值引入定向度或隔离度来表明性能。

近年来随着太赫兹辐射源和探测技术的突破以及5G时代的到来，太赫兹通讯的优越特性显示出巨大的应用前景，而太赫兹技术的广泛应用离不开太赫兹功能器件的支撑。作为功能器件中具有多路通讯功能的环行器，现有报道中多以微波器件为主，少有涉及太赫兹毫米波领域，无法满足未来通讯中高频段和无线通讯的要求。

另外，现有的环行器中，常见的结构有微带式环行器和波导式环行器，但波导式具有体积和造价的缺陷，微带式具有功率和辐射的缺陷，且两种环行器多以尖晶石和石榴石铁氧体制备，需要外加永磁体提供稳恒磁场，因此难以实现与整机系统的集成化和小型化。

传统环行器存在频段单一、带宽过窄、体积过大和高次谐波等方面的缺陷，已不能满足现代通讯发展的要求。随着太赫兹领域技术发展，对太赫兹功能器件提出的更高的要求，急需一种具备小型化、集成化、宽频带、低损耗、高频化等优势的环行器以解决以上问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的环行器高损耗、体积大、应用频段低、回波损耗过大等不足之处，本发明提供了一种基于零折射率超材料的高定向度太赫兹环行器。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种基于零折射率超材料的高定向度太赫兹环行器，其特征在于，包括设置在环行器内部的三个由零折射超材料介质组成的立方体结构，三个立方体结构排布成Y形结构，每两个立方体结构之间朝外的夹角对应一个金属外壳围成的端口，金属外壳内填充有空气。

Y形结构的中间为三个立方体结构围合成的三角形空间，三角形空间内紧贴立方体结构设置有三角金属壳，三角金属壳与金属外壳具有相同的材质。

优选得，每两个立方体结构之间朝外的夹角为120°。

优选得，零折射材料立方体结构所在边长度与其对应平面波入射端口的长度之比为2:3。

所述零折射超材料介质的折射率实部ｎ′虚部ｎ″均为零或接近于零。

所述接近于零是指零折射超材料介质的折射率实部ｎ′虚部ｎ″均小于0.6。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：发明了新结构，将零折射材料应用于环行器设计，使整体设计均在微米尺寸下，实现电磁波由任意角度入射，单向环行，反向隔离；通过加入超材料，折射率为零，有效利用零折射材料特性提高环行器性能，使其适用于太赫兹频段，实现高定向度。

附图说明

下面结合附图作进一步的说明：

图1为本发明所述环行器的结构示意图；

图2为本发明所述环行器的工作原理示意图；

图3为本发明所述环行器在平面波从1端口入射时，环行器的电场分布示意图；

图4为本发明所述环行器在平面波从1端口入射时，环行器的磁场分布示意图；

图5为本发明所述环行器在平面波从1端口入射时，环行器的功率分布示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例，对本发明作进一步说明，但不限于以下实施实例。

本发明提供了一种基于零折射率超材料的高定向度太赫兹环行器，如图1所示，该环行器包括三个零折射超材料介质组成的立方体结构1，三个立方体结构成Y形排布，Y形结构的中部为三个立方机构围合成的三角形空间，三角形空间内紧贴立方体结构设置有金属三角形壳3，每两个立方体结构1之间朝外的夹角对应一个金属外壳2围成的端口，金属外壳内填充有空气。

实施例1

为进一步说明本器件结构的效果，作为优选，立方体结构1在环行器的水平切面内具有长度b为800um，宽度a为400um，并且三个立方体结构在环行器的水平切面内以120°夹角放置，设置环行器。零折射超材料介质立方体结构1高度沿z轴方向，对环行器性能并无影响，这里设为5um。

利用电磁环境相关知识仿真设计得到其工作如图2：

平面波从端口1入射，环行器中单向环行传输，从端口2发出，同时端口3隔离。平面波从端口2入射，环行器中单向环行传输，从端口3发出，同时端口1隔离。平面波从端口3入射，环行器中单向环行传输，从端口1发出，同时端口2隔离。

实施例2

为进一步说明本器件结构的效果，结合相关知识，在仿真中分别设置电场、磁场和功率监视器，分别如图3、图4和图5所示，以平面波从1端口入射时为例，监测环行器在0.1-10THz频段内工作时内部能量分布与变化状态。

当折射率为理想状态，频率为1.2THz时，即折射率实部与虚部均为0时，平面波入射的电场能量为1v/m，从1端口入射，环行器工作，入射波在环行器内单向环行，所有入射波几乎均从2端口出射，2端口电场能量约为0.91v/m（-1.68dB），同时3端口方向隔离，3端口处的能量大约为0.2v/m（-15.5dB），定向度为6.47。3端口处存在的能量主要是波传播到2端口后，少量入射波经过导体反射进入3端口，但并未影响环行器正常工作，环行器实现单向高效传输，反向隔离的工作状态。

实施例3

为进一步说明本器件结构的效果，作为比较，我们改变零折射材料折射率实部ｎ′虚部ｎ″，在上述工作频段附近监测能量变化，其他结构、尺寸和材料与上述实例完全相同。

当频率为1.195THz时，折射率实部ｎ′为0.0072，虚部ｎ″为0.0015时，平面波入射的电场能量为1v/m，从1端口入射，环行器工作，入射波在环行器内单向环行，所有入射波几乎均从2端口出射，2端口电场能量约为0.92v/m（-1.67dB），同时3端口方向隔离，3端口处的能量大约为0.23v/m（-14.69dB），定向度为6.07，定向度变化很小，环行器性能基本不变。

当频率为1.135THz时，折射率实部ｎ′为0.1166，虚部ｎ″为0.0067时，平面波入射的电场能量为1v/m，从1端口入射，环行器工作，入射波在环行器内单向环行，所有入射波几乎均从2端口出射，2端口电场能量约为0.7v/m（-4.12dB），同时3端口方向隔离，3端口处的能量大约为0.24v/m（-13.18dB），定向度为4.57，定向度明显变小，环行器性能变差。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。