太赫茲波段雙寬帶極化無關(guān)超材料吸波體的設(shè)計(jì)研究

王連勝，夏冬艷，丁學(xué)用，汪 源，何彥廷

太赫茲波段雙寬帶極化無關(guān)超材料吸波體的設(shè)計(jì)研究

王連勝1，夏冬艷2，丁學(xué)用1，汪 源1，何彥廷1

（1. 三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022；2. 三亞學(xué)院財(cái)經(jīng)學(xué)院，海南 三亞 572022）

設(shè)計(jì)了一種太赫茲波段的雪花狀雙寬帶極化無關(guān)超材料吸波體。采用時(shí)域有限元積分的方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)單元在0.9～1.2THz之間出現(xiàn)了兩個(gè)吸收帶，吸收率90%以上的頻帶分別是0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz，帶寬分別為37.8GHz和35.6GHz；通過對其表面電流分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其雙寬帶吸收特性是由不同的諧振頻率疊加產(chǎn)生的；通過對結(jié)構(gòu)單元在不同級對稱性破缺下的吸收特性進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元的雙寬帶吸收特性對對稱性破缺不敏感。

太赫茲；雙寬帶；極化無關(guān)；超材料吸波體；對稱性破缺效應(yīng)

0 引言

超材料吸波體是一種結(jié)構(gòu)型吸波體，由周期性吸收單元組成吸波陣列，每個(gè)吸波單元一般是三明治結(jié)構(gòu)：頂層的金屬圖案、中間層的介質(zhì)基板以及底層的金屬板[1-2]。Landy于2008年首次提出了基于單個(gè)電環(huán)諧振器和短導(dǎo)線組合而成的超材料吸波體，金屬結(jié)構(gòu)的諧振會使得超材料吸波體中局域場急劇增強(qiáng)，在達(dá)到阻抗匹配的情況下，具有損耗的電介質(zhì)會對電磁波產(chǎn)生強(qiáng)損耗吸收[3]。此后，超材料吸波體的設(shè)計(jì)從微波波段[4-5]進(jìn)一步拓展到太赫茲頻段[6-7]以及紅外波段[8-9]和光波段[10-12]，從單頻帶吸收擴(kuò)展到雙頻帶[13-15]、三頻帶[16-18]、寬帶[19-20]以及可調(diào)[21]吸收?；谌斯そY(jié)構(gòu)的超材料吸波體成功地突破了Terahertz（太赫茲）“禁帶”，為超材料吸波體在醫(yī)學(xué)、生物、軍事以及熱成像儀等領(lǐng)域和設(shè)備上的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

目前，設(shè)計(jì)太赫茲波段寬帶超材料吸波體的方法主要有3種，一種是文岐業(yè)[22]、He[23]和Van Tuong Pham[24]等提出的利用多層金屬與介質(zhì)層交替疊加實(shí)現(xiàn)寬帶吸收；一種是Grant[25]、Ye[26]和Wang[27]等提出的在厚度方向上多層金屬嵌套實(shí)現(xiàn)寬帶吸收；最后一種是Huang[28]，Wang[29]，Cheng[30]和Wen[31]等提出的平面內(nèi)不同尺寸金屬單元排列來實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。其中，前兩種方法要求各層嚴(yán)格對準(zhǔn)，對工藝要求高，制備過程復(fù)雜，加工成本高。第3種方法僅設(shè)計(jì)3層結(jié)構(gòu)，在工藝上容易實(shí)現(xiàn)，而且成本低，但是Huang，Wang等人設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是通過平面內(nèi)不同尺寸金屬單元排列實(shí)現(xiàn)的，吸收特性是極化相關(guān)的。在許多實(shí)際的應(yīng)用中，不僅要求吸波體有大的吸收帶寬,，而且要求對極化方向不敏感?；诖?，結(jié)合Zhao X P教授課題組提出的具有各向同性結(jié)構(gòu)的樹枝狀超材料及其符合化學(xué)上自然生長的制備方法[32]，本文設(shè)計(jì)了太赫茲波段的雪花狀雙寬帶極化無關(guān)電磁超材料吸波體，結(jié)構(gòu)單元在0.9～1.2THz之間出現(xiàn)了兩個(gè)寬帶吸收峰，由于結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)對稱性，故其吸收特性是極化無關(guān)的；由于結(jié)構(gòu)單元的金屬單元是單一尺寸的，故其加工成本更低。

1 模型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的太赫茲波段雪花狀雙寬帶極化無關(guān)超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元模型如圖1所示，正視圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)單元由3層材料組成：第一層為雪花狀金屬銅層（電導(dǎo)率為5.9×107S/m），厚度為50mm；第二層為FR4介質(zhì)層（正切損耗角為0.025，介電常數(shù)為4.9），厚度為500mm；第三層為金屬銅基板，厚度為100mm。結(jié)構(gòu)單元的有關(guān)尺寸為：＝800mm，＝200mm，＝200mm，＝10mm，＝60°，上述結(jié)構(gòu)單元的厚度及結(jié)構(gòu)尺寸是經(jīng)優(yōu)化后得出的。

采用商業(yè)三維電磁仿真軟件Microwave studio CST對圖1所示的模型按上述參數(shù)進(jìn)行建模，仿真過程中采用波導(dǎo)端口激勵(lì)，周期邊界條件設(shè)置為、方向，其中方向?yàn)橥昝来胚吔纾≒MC），方向?yàn)橥昝离娺吔纾≒EC），方向設(shè)置為激勵(lì)入射端口，采用時(shí)域求解器對結(jié)構(gòu)單元的電磁參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 結(jié)構(gòu)單元示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)單元正視圖

2 結(jié)果分析與討論

圖3 結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線

根據(jù)測得的參數(shù)，采用參數(shù)反演法計(jì)算了超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元的歸一化阻抗實(shí)部，結(jié)果如圖4所示，從圖4可以看出，歸一化阻抗實(shí)部在0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz之間接近于1，根據(jù)超材料吸波體歸一化阻抗實(shí)部的計(jì)算公式2＝1/0，其中2為超材料吸波體的歸一化阻抗實(shí)部，1為超材料吸波體的阻抗實(shí)部，0為自由空間的阻抗實(shí)部，當(dāng)超材料吸波體的歸一化阻抗實(shí)部接近1時(shí)，超材料吸波體的阻抗實(shí)部與自由空間的阻抗實(shí)部接近，表明超材料吸波體與自由空間達(dá)到了良好的阻抗匹配，吸收率較高。

圖4 歸一化阻抗實(shí)部曲線

為分析超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元寬帶吸收峰出現(xiàn)的原因，在吸收帶內(nèi)隨機(jī)選取0.967THz、0.989THz、1.101THz和1.114THz四個(gè)頻率點(diǎn)處結(jié)構(gòu)單元的表面電流分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，0.967THz、0.989THz和1.101THz處表面電流主要集中于相應(yīng)圖中虛線框內(nèi)的區(qū)域；1.114THz處的表面電流均勻分布于雪花狀金屬結(jié)構(gòu)層。這說明不同的諧振頻率是由結(jié)構(gòu)單元不同的部分引起的。由此可見，結(jié)構(gòu)單元在電磁波的作用下會在不同頻率處產(chǎn)生諧振，多個(gè)諧振頻率疊加產(chǎn)生寬帶吸收。

超材料吸波體的結(jié)構(gòu)尺寸對其吸收特性有重要影響，為分析超材料吸波體的結(jié)構(gòu)尺寸對其吸收特性的影響，計(jì)算了不同線寬下結(jié)構(gòu)單元的吸收率，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)從10mm到50mm逐漸增加時(shí)，結(jié)構(gòu)單元吸收率90%以上的帶寬逐漸減少。分析原因主要是隨著寬度的增加，結(jié)構(gòu)單元對電磁波的反射面增加，對電磁波的反射增強(qiáng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元在一些頻率處與自由空間的阻抗匹配程度減小，進(jìn)而對電磁波的吸收率減小，故隨著寬度的增加，結(jié)構(gòu)單元吸收率90%以上的帶寬逐漸減小。

圖5 表面電流分布

圖6 不同線寬下結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線

3 對稱性破缺效應(yīng)研究

由圖1可以看出，結(jié)構(gòu)單元具有較高的旋轉(zhuǎn)對稱性，而采用物理刻蝕或者化學(xué)沉積的方法在制備該結(jié)構(gòu)單元過程中，不可避免地會造成雪花狀金屬銅層中某些部分的缺失，從而造成其旋轉(zhuǎn)對稱性出現(xiàn)破缺，因此對結(jié)構(gòu)單元在不同級別對稱性破缺下的吸收特性進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義，不同級別對稱性破缺下結(jié)構(gòu)單元的正視圖如圖7所示。

對結(jié)構(gòu)單元在不同級別對稱性破缺下的吸收率進(jìn)行測量計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，結(jié)構(gòu)單元在1、2、3、4級對稱性破缺下對太赫茲電磁波的吸收特性沒有發(fā)生明顯變化；在5級、6級和7級對稱性破缺下結(jié)構(gòu)單元的雙寬帶吸收特性消失，只出現(xiàn)了雙吸收峰，分析原因主要是隨著對稱性破缺程度的加大，引起諧振的結(jié)構(gòu)單元組成部分減少，從而造成諧振頻率減少，因而雙寬帶吸收峰逐漸變窄，形成雙吸收峰。上述結(jié)果說明結(jié)構(gòu)單元的雙寬帶吸收特性對對稱性破缺不敏感，有利于實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

4 總結(jié)

自然界中很多材料在太赫茲頻段沒有電磁響應(yīng)，太赫茲超材料的出現(xiàn)為太赫茲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。本文設(shè)計(jì)了一種太赫茲波段的雪花狀雙寬帶極化無關(guān)超材料吸波體，結(jié)構(gòu)單元由3層材料組成：頂層的雪花狀金屬層，中間的FR4介質(zhì)層以及底層的金屬銅基板。采用時(shí)域有限元積分的方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)單元在0.9～1.2THz之間出現(xiàn)了兩個(gè)吸收帶，吸收率90%以上的頻帶分別是0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz，帶寬分別為37.8GHz和35.6GHz；計(jì)算表明，兩個(gè)吸收頻帶內(nèi)的歸一化阻抗實(shí)部接近于1，表明結(jié)構(gòu)單元與自由空間實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配；通過對其表面電流分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其雙寬帶吸收特性是由不同的諧振頻率疊加產(chǎn)生的；通過對結(jié)構(gòu)單元在不同級別對稱性破缺下的吸收特性進(jìn)行測量計(jì)算，結(jié)構(gòu)單元的雙寬帶吸收特性對對稱性破缺不敏感。結(jié)構(gòu)單元具有簡單、較容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 不同級別對稱性破缺下結(jié)構(gòu)單元的正視圖

圖8 不同級別對稱性破缺下結(jié)構(gòu)單元的吸收率

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The Design Research of Dual Wideband Polarization-independent Metamaterials Absorber in the THz Band

WANG Liansheng1，XIA Dongyan2，DING Xueyong1，WANG Yuan1，HE Yanting1

(1.,,572022,; 2.,,572022,)

The snowflake dual wideband polarization-independent metamaterials absorber in the THz band was designed in this paper. The electromagnetic properties of structure unit was calculated by using time-domain finite integral method, and the results indicated that two absorption bands appeared between 0.9-1.2THz, the two absorption bands with the absorption larger than 90% were 0.9642-1.002THz and 1.096-1.1316THz, and the bandwidth was 37.8GHz and 35.6GHz respectively. By monitoring the surface current distribution, it indicated that its wideband absorption characteristic was determined by the overlay of different resonance frequencies. By measuring the absorption characteristic of structure unit under different levels of symmetry broken, it indicated that its dual wideband absorption characteristic was not sensitive with symmetry-broken.

THz，dual wideband，polarization-independent，metamaterials absorber，symmetry-broken effect

TB34

A

1001-8891(2016)07-0607-05

2015-10-23；

2016-03-11.

王連勝（1982-），男，碩士，講師，主要從事超材料方面的研究。E-mail：wlswls1982@126.com。

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（114015）；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（614252）。