双开口矩形环结构的宽度和开口对非对称传输效果的影响分析

仿真时,x、y方向为单元结构,电磁波沿z方向传输。图4-3显示了电磁波分别沿正向传输(+z)和负向传输(-z)时的传输曲线。在频率范围0.2～2 THz内,txy≠tyx,表明该双开口矩形环结构的确实现了太赫兹频带内的非对称传输。在正向传输的情况下,txy在1.154 THz处达到峰值0.87,而相应的t yx的值只有0.14;另外,在频率范围0.93～1.43 THz内,t xy均大于t yx的传输效率,并且t xy的传输效率都在0.6以上,而t yx的传输效率均在0.3以下。以上数据分析表明,该结构具有良好的非对称传输效果,并且当线极化波的传输方向改为沿-z方向入射时,t yx和t xy相应的值与正向传输时对调,说明该非对称传输结构对于x和y两种线极化波均适用。

图4-3 双开口矩形环的传输特性

为了进一步了解双开口矩形环结构的非对称传输性能,分别做出正向、反向传输时双开口矩形环的非对称传输系数Δ的曲线,如图4-4所示,图4-4(a)、图4-4(b)分别为电磁波传播方向为正向(+z)、负向(-z)时的非对称传输系数,图4-4(a)中实线和虚线分别表示x极化波和y极化波的非对称传输系数。由公式(4-8)知:

即x极化波的非对称传输系数与y极化波的非对称传输系数相反。由图中曲线可知,Δx在0.93～1.43 THz范围内,非对称传输系数的值均大于0.6,当电磁波的传播方向为负向时,相应的Δx与Δy分别与正向传输时的Δy和Δx相等,如图4-4(b)所示,说明该双开口矩形环非对称传输结构具有优异的非对称传输性能。

该双开口谐振环非对称传输器件的极化转换率的计算方式为

计算结果如图4-5所示,图4-5(a)、图4-5(b)分别为正向、负向传输时的极化转换率。可以看到,正向传输时,在0.8～1.4 THz频率范围内,y极化波的极化转换率很高,表明相当一部分y极化波转换为x极化波,而x极化波的极化转换率非常低;当传输方向相反(为负向传输)时,x极化波的极化转换率远远大于y极化波,符合非对称传输的原理,说明该结构具有良好的极化转换率。

图4-4 双开口矩形环非对称传输系数

图4-5 双开口矩形环非对称极化转换率

为深入了解双开口矩形环结构线极化波极化转换的机制,下面给出了谐振频率点1.154 THz处的表面电流分布,如图4-6所示。无论入射波是x极化波还是y极化波,双开口矩形环结构的表面总会出现偶极子谐振,并且由同相的表面电流形成。图4-6(a)、图4-6(b)分别给出了频率1.154 THz处的x极化波和y极化波沿-z方向入射到结构表面的电流分布。根据图中的电流分布可知,在谐振点处,表面电流的流向相反,在图4-6(a)中,入射的x极化波产生了非对称的表面电流模,该电流导致了y方向和x方向感应磁场的产生,入射电场和感应磁场之间的交叉耦合导致了该频点处的极化转换;同理,当入射波为y极化波时,感应磁场沿x方向即与入射电场垂直,因此感应磁场与入射电场之间几乎没有交叉耦合,故很少有y极化波转换为x极化波。图4-6(c)、图4-6(d)分别给出了在频率f=1.154 THz处,线极化波沿+z方向入射的x极化波和y极化波结构表面的电流分布。同理分析可知,在电磁波沿-z方向传输的情况下,x极化波转换为y极化波的效率较高,而y极化波转换为x极化波的效率几乎为零。

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图4-6 在f=1.154 THz时,结构表面的电流分布

下面研究双开口矩形环结构的各个参数变化对于非对称传输效果的影响,主要分析介质基底厚度d、金属环宽度w以及开口宽度g对非对称传输特性的影响。值得说明的是,当分析某一个参数时,其他参数需要保持与初始值一致,以保证单一量变化。

(1)介质基底厚度d对非对称传输效果的影响

令介质基底的厚度分别为10μm、20μm、30μm和40μm,其他参数均保持不变,即P=125μm,L=106.5μm,w=17.5μm,g=32.5μm,s=9.5μm,t=0.2μm,th=2μm。进行参数扫描,电磁波为正向(+z方向)传输,这时得到的t xy传输曲线如图4-7所示。由图4-7可知,随着介质基底厚度d的逐渐增加,t xy的整体逐渐向低频区域移动,并且在d=30μm时,t xy的峰值最高,为0.88,但是此时带宽较窄,而在d=20μm时,带宽最宽且传输效率较高,因此,在此结构中选取介质基底厚度参数d=20μm。

图4-7 双开口矩形环结构介质基底厚度d对非对称传输效果的影响曲线

(2)金属环宽度w对非对称传输效果的影响

接下来对金属矩形环的宽度w进行参数扫描,扫描值分别为12.5μm、17.5μm、22.5μm和27.5μm,电磁波沿正向(+z方向)传输,其传输曲线t xy的参数扫描结果如图4-8所示。由图4-8可见,随着金属矩形环宽度的增加,t xy的值呈现先增大后减小的趋势。在w=17.5μm时,t xy的峰值达到0.87,带宽较宽,具有良好的传输效果。

图4-8 双开口矩形环结构金属环宽度w对非对称传输效果的影响曲线

(3)金属环开口宽度g对非对称传输效果的影响

令金属环开口宽度g分别为12.5μm、22.5μm、32.5μm和42.5μm,并且其他参数保持不变,进行参数扫描,当电磁波正向传输时,得到的txy传输曲线仿真结果如图4-9所示。可见,随着g的增加,txy的传输曲线峰值呈现先增加后减小的变化趋势,并且在g大于32.5μm之后,减小幅度明显,非对称传输效果不理想;另外,传输带宽也呈现先增大后减小的趋势,在g=32.5μm时,其传输效率较高且带宽较宽。

图4-9 双开口矩形环结构金属环开口宽度g对非对称传输效果的影响曲线

综合以上参数分析结果可以得到:介质基底厚度d、金属环宽度w以及金属环开口宽度g对于双开口矩形环的非对称传输效果的带宽、频率范围以及非对称传输效率均有较明显的影响,并且各自的影响趋势不相同。因此,在接下来进行进一步的结构参数的优化设计时,需要权衡考虑各个参数,尽量得到带宽较宽、传输效率较高的非对称传输效果。