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        微帶方形開口環(huán)的高效太赫茲波吸收器研究

        2013-08-02 08:32:38李九生
        中國計量大學(xué)學(xué)報 2013年1期
        關(guān)鍵詞:吸收器結(jié)構(gòu)單元等效電路

        程 偉,李九生,孫 超

        (中國計量學(xué)院 信息工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

        太赫茲波是指頻率在0.1~10THz(30~3000μm)范圍內(nèi)的電磁波,其波段介于微波和紅外線之間,是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的重要電磁波段.太赫茲波在物理、天文學(xué)、生命科學(xué)、生物傳感、醫(yī)藥科學(xué)、衛(wèi)星通信和無線通信等眾多領(lǐng)域,均有重大的科學(xué)研究價值和廣闊的應(yīng)用前景[1-3].太赫茲波實際應(yīng)用的關(guān)鍵之一是實現(xiàn)對太赫茲波高效、高靈敏度的探測,這就要求有高效率的太赫茲波吸收器.當(dāng)前國內(nèi)外對太赫茲波吸收器已開展了一些研究.H.Tao[4]于2008年利用微加工技術(shù)在半絕緣GaAs表面制作了開口諧振環(huán)(SRRs)結(jié)構(gòu)吸收器,諧振頻率位于1.3THz,吸收率達(dá)到0.7.同年,H.Tao[5]在柔性聚酰亞胺基底上制備厚度為16μm SRRs結(jié)構(gòu),對頻率為1.6THz的太赫茲波實現(xiàn)0.97的吸收率.Landy[6]提出了十字架形結(jié)合四開口SRRs方形結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器,金屬部分采用了銻(30nm)、鉑金(40nm)、金(200nm)三層結(jié)構(gòu),實驗證實在1.145THz處,吸收率達(dá)到0.77.2009年,Shchegolkov[7]提出了結(jié)構(gòu)更簡單,更容易制備的漁網(wǎng)型太赫茲吸收器,能夠?qū)δ骋环较虻奶掌澆▽崿F(xiàn)完全吸收.除了單頻吸收器、雙頻以及多頻吸收器同樣受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注.利用雙諧振的SRRs電諧振器,H.Tao[8]實現(xiàn)了具有兩個吸收帶的太赫茲吸收器,在1.4THz和3.0THz兩個頻率點的吸收率分別為0.85和0.94.2012年,Alves[9]設(shè)計了一種方塊形周期性結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲波吸收器,該吸收器的正面和背面結(jié)構(gòu)均采用了金屬鋁,基體選用了二氧化硅材料,在4THz附近吸收率達(dá)到了0.98,帶寬為2.5THz.

        本文提出了一種基于微帶方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器,并針對該吸收器提出了相應(yīng)的等效電路模型.利用等效電路模型計算出所需吸收頻段太赫茲波吸收器的尺寸參數(shù),設(shè)計出接近完美吸收的太赫茲波吸收器,大大減少設(shè)計過程中的工作量.測試結(jié)果表明,該吸收器在0.575THz處吸收率達(dá)到0.993,實現(xiàn)了對太赫茲波的完美吸收.該吸收器在電磁波吸收、隱身技術(shù)、相位成像、光譜檢測以及熱發(fā)射等領(lǐng)域,均具有十分重要的應(yīng)用前景.

        1 吸收器結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

        本文提出的基于微帶方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器采用三層結(jié)構(gòu),包括頂層方形開口環(huán)、中間高阻硅基體和底層金屬板,結(jié)構(gòu)單元如圖1.圖1(a)是基體上表面結(jié)構(gòu)單元圖,圖1(b)是結(jié)構(gòu)單元截面圖,整個吸收器由該結(jié)構(gòu)單元按50×50個周期性排列在高阻硅基體上表面組成.

        圖1 吸收器結(jié)構(gòu)單元Figure 1 Structural unit of the absorber

        針對該結(jié)構(gòu)提出其等效電路模型如圖2.

        圖2 吸收器等效電路Figure 2 Equivalent circuit of the absorber

        根據(jù)等效電路計算得到該結(jié)構(gòu)單元的諧振頻率[10-12]為:

        式(1)中,LM是電感,它可由下式計算:

        其中,μ0是真空磁導(dǎo)率,ρ=(w+g)/[l-(w+g)]為占空比,lavg=4[l-2(w+g)]是2個環(huán)邊長的平均值,l是最外側(cè)環(huán)的長度,w是金屬的線寬,g是相鄰兩環(huán)間的距離.

        式(1)中,CM為電容,計算式如下:

        其中,C0為環(huán)間的電容公式[13],計算公式為:

        其中,ε0是真空中介電常數(shù),(εr,h,w,g)是有效介電常數(shù).K 是第一類橢圓積分,k=g/(g+2 w).

        考慮到導(dǎo)體和介質(zhì)的能量損耗,存在一個阻抗記為RM,

        其中,R0是單位長度的阻抗,R0=(ρc/ws),ρc為金屬電阻率,s是金屬環(huán)寬度.將式(2)看成LM=L0lavg(ρ)形式,其中L0是單位長度的感抗,L0=μ0[14].與CM并聯(lián)的分流電阻RN,可表示為:

        其中,σd為金屬電導(dǎo)率.

        在本文設(shè)計中,初始設(shè)置吸收器結(jié)構(gòu)單元的尺寸為:l=70μm,g=5μm,w=5μm,h=350μm,s=1μm,t=2μm,d=6μm,a=80μm.由式(1)~(6)計算得到:LM=8.304×10-9H,CM=1.101×10-17F,RM=1.8Ω,RN=6.1×106Ω.對該電路進行advanced design system(ADS)仿真驗證,計算結(jié)果如圖3.由圖可知該電路的諧振頻率點為f=0.590THz,該頻率點的透射(T)為0,反射(R)為0.004,吸收(A)為0.996,帶寬為22GHz,這說明該結(jié)構(gòu)有很高的太赫茲波吸收效率.計算獲得該結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率曲線如圖4.由圖4可見,在0.590THz處該結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)為8.21+0.04i,有效磁導(dǎo)率為7.98+0.02i.因此,在0.590THz處的歸一化有效阻抗值為0.986-0.001i,非常接近空氣的歸一化阻抗值1,表明這種結(jié)構(gòu)在該頻率點與周圍空間的阻抗匹配比較完美.

        圖3 吸收器曲線仿真結(jié)果Figure 3 Simulated results of the absorber

        圖4 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率曲線Figure 4 Curves of the effective permittivity and permeability

        2 測試結(jié)果分析與討論

        加工制作的吸收器實物如圖5.利用FTIR儀器(傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀)對加工樣品進行測試,測試結(jié)果如圖6.從圖中可見,測試樣品的吸收中心頻率點位于0.575THz處,該點的吸收率為0.993,反射率為0.007,透射率為0,吸收器帶寬測試值為29GHz.測試曲線在非中心頻率點有輕微的抖動,這是由于加工樣品的局部斷開、輕微毛刺現(xiàn)象及測試中存在的一定誤差所致.吸收器仿真曲線如圖3.仿真結(jié)果表明吸收器的中心頻率點位于0.590THz處,在該點的吸收率為0.996,反射率為0.004,透射率為0.將測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較,兩條吸收曲線走勢大致相同,中心頻率點相差0.015THz,其主要原因是在設(shè)計吸收器的仿真計算過程中使用的電磁環(huán)境是理想狀態(tài),而在實際測試時是無法獲得理想電磁狀態(tài)的,同時測試過程中測試儀器接頭會引入阻抗不匹配因素,也會造成實際的測試結(jié)果與仿真的結(jié)果有一點差異.總體來說,仿真與測試結(jié)果相吻合,這說明利用所提出的該等效電路模型可以很好地設(shè)計太赫茲波吸收器結(jié)構(gòu),并預(yù)測相應(yīng)的吸收頻率、吸收效率等指標(biāo)參數(shù),達(dá)到了預(yù)期效果.

        3 結(jié) 語

        本文設(shè)計了一種基于微帶方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的高效率太赫茲波吸收器,在0.575THz處對太赫茲波吸收率達(dá)到0.993.利用等效電路模型完成了器件的設(shè)計、加工與測試.實驗測試和仿真結(jié)果基本相吻合,驗證了該等效電路模型的正確性和有效性.提出的等效電路模型可以為精確地設(shè)計特定要求的吸收器提供一定的理論依據(jù),大大減少設(shè)計過程中的工作量.

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