李創(chuàng)輝 曾繁政 曾妍 莫瑜章

（1.賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院，廣西 賀州 542899；2.賀州學(xué)院 賀州市微波應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 賀州 542899）

0 引言

電磁超材料是一種具有亞波長(zhǎng)尺寸的周期或非周期結(jié)構(gòu)材料，其等效材料和媒質(zhì)屬性取決于所設(shè)計(jì)的單元參數(shù)及排列形式[1]。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可獲得負(fù)介電常數(shù)[2]、負(fù)磁導(dǎo)率[3]、負(fù)折射率等[4]天然材料中所不具有媒質(zhì)特性。超材料吸波器具有小型化、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在隱身技術(shù)、傳感器等多領(lǐng)域存在應(yīng)用價(jià)值，且自從landy等[5]提出完美吸波體后，超材料吸波器便成為國(guó)內(nèi)外一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于超材料的雙波段太赫茲吸波器，該吸波器頂層由4個(gè)開(kāi)縫的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱梯形金屬體和2條連接梯形體的金屬方條構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了在1.66THz和3.38THz雙波段吸收，在1.66THz吸收率達(dá)到99.9%，在3.38THz吸收率達(dá)到99.8%。通過(guò)改變參數(shù)，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸波器的影響。此外，該吸波器還具有極化不敏感和較寬入射角吸收良好的特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的雙波段吸波器單元采用金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)周期p為30μm，單元結(jié)構(gòu)底層和頂層采用有色金屬銅，其電導(dǎo)率為5.8×107S/m，厚度t0均為0.2μm；介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)為3.5+0.2i，頂層金屬由具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的等腰梯形構(gòu)成，梯形短邊長(zhǎng)L2為2μm，梯形長(zhǎng)邊長(zhǎng)L1等于22μm，梯形兩條腰與底邊夾角θ成45°，沿梯形的高方向切去一條裂縫，縫寬w為0.36μm，縫長(zhǎng)h為9μm，相對(duì)的兩個(gè)梯形，用長(zhǎng)L為6μm、寬w1為0.8μm的長(zhǎng)方形金屬體連接短邊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。表1為該單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)和具體的取值。

表1 雙波段吸波器單元結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 超材料雙波段吸波器單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真結(jié)果

在CST2019上建立超材料單元結(jié)構(gòu)模型，X方向和Y方向上設(shè)置unit cell邊界條件，Z方向設(shè)置為open（add space）邊界條件，設(shè)置電磁波沿著Z負(fù)方向傳播，從所設(shè)計(jì)單元頂層進(jìn)入。采用頻域求解器進(jìn)行求解，通過(guò)仿真得出超材料的S參數(shù)，由S參數(shù)可以計(jì)算出該超材料隨頻率變化的吸波情況。所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的底層厚度為0.2μm有耗金屬，遠(yuǎn)大于趨膚深度，從頂層入射的電磁波透過(guò)底層的部分可以近似等于0。因此，電磁波入射到超材料時(shí)，一部分電磁波在材料表面產(chǎn)生反射，一部分被吸收。設(shè)反射率為R(ω)，吸收率為A(ω)，則反射率R(ω)=，吸收率A(ω)=1-R(ω)，只要對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使超材料與大氣層匹配，反射波趨于零，則可以實(shí)現(xiàn)完美吸收。對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在1THz到4.5THz進(jìn)行仿真，圖2中給出了TE極化波和TM極化波在垂直入射時(shí)的仿真結(jié)果。對(duì)TE極化波，在1.66THz和3.38THz處有兩個(gè)吸收峰，其吸收率分別為99.9%和99.8%，如圖2(a)所示；對(duì)于TM極化波，如圖2(b)所示，其結(jié)果與TE極化波相差很小，這是由于該吸波器結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，同時(shí)也說(shuō)明其具有極化不敏感性。

圖2 TE 極化和TM 極化吸收率

如圖3所示，在入射角度theta分別為0°、20°、40°、60°時(shí)，對(duì)TE極化波、TM極化波進(jìn)行仿真。由圖3(a)可知，在TE極化波下，入射角為40°時(shí)吸波器的吸收率大于95%，當(dāng)入射角度增大到60°時(shí)，吸收率仍然具有80%以上。隨著入射角度的增大，入射磁場(chǎng)的X分量逐漸減小，頂層金屬不再能有效地激發(fā)更強(qiáng)的磁場(chǎng)，電磁吸收變得越來(lái)越弱[6]，當(dāng)入射角度增大到80°時(shí)，吸收率迅速下降到45%以下。對(duì)于TM極化波，即使入射角增大到60°，整體吸收特性變化不大；當(dāng)入射角度增大到80°時(shí)，仍具有88%以上的吸收率，但吸收頻率有較大的藍(lán)移。

圖3 不同入射角條件下TE 極化吸波率

仿真中通過(guò)改變方條的寬度w和長(zhǎng)度L（梯形整體往外或內(nèi)移動(dòng)），在電磁波垂直入射下，分析方條長(zhǎng)寬變化對(duì)吸波器吸波特性的影響，如圖4所示。由圖4(a)可知，隨著方條長(zhǎng)度L從5μm增加到9μm，吸波器的吸收率變化很小，但低頻段諧振頻率具有明顯的紅移現(xiàn)象，表明通過(guò)改變L的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)低頻諧振頻段；隨著w1增大，吸收率幾乎保持不變，但諧振頻率在兩個(gè)頻段均出現(xiàn)了輕微的藍(lán)移，如圖4(b)所示。

圖4 方條寬度變化對(duì)吸波率影響

等腰梯形裂縫參數(shù)對(duì)吸波器高頻段有重要的影響，為了更好地觀察裂縫參數(shù)變化對(duì)吸波性能的影響，先將吸波器參數(shù)調(diào)整為w1=0.8μm，L=6μm，此時(shí)兩個(gè)吸收峰吸收率分別達(dá)到最大的99.9%和99.8%。分別改變裂縫寬度w和長(zhǎng)h，得到吸波器吸波特性隨頻率變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5(a)可知，隨著裂縫w寬度增加，吸波器吸收率明顯下降，同時(shí)高頻頻段諧振頻率具有明顯的紅移；隨著h長(zhǎng)度減小，吸波器吸收率顯著減小，此時(shí)高頻頻段諧振頻率具有明顯的藍(lán)移，如圖5(b)所示。上述分析表明，h和w的變化，不僅影響高頻諧振頻段，同時(shí)發(fā)現(xiàn)不管h減小或是w增加，結(jié)構(gòu)與自由空間的匹配程度均會(huì)降低，可見(jiàn)h和w參數(shù)變化對(duì)高頻段阻抗匹配有重要的影響，可以通過(guò)合理調(diào)整h和w實(shí)現(xiàn)高頻頻段的完美吸收。

圖5 方條長(zhǎng)度變化對(duì)吸波率影響

3 機(jī)理分析

為了理解超材料吸波器產(chǎn)生兩個(gè)吸波峰的原因，有必要了解超材料吸波器單元結(jié)構(gòu)表面電流分布情況，而通過(guò)在吸收峰的頻點(diǎn)處設(shè)置表面電流監(jiān)控器，可以得到超材料頂層和底層金屬層的表面電流分布，如圖6所示。圖6(a)給出了1.66THz處頂層表面電流分布，圖6(b)給出了1.66THz處底層表面電流分布，圖6(c)為3.358THz處頂層表面電流分布，圖6(d)為3.358THz處底層表面電流分布。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)不同吸收峰激發(fā)的諧振電流區(qū)域不同，在1.66THz處，其頂層表面電流主要集中在中間的兩個(gè)梯形相連接處，在3.358THz處頂層表面電流分布主要集中在旁邊兩個(gè)梯形的開(kāi)口縫隙處。進(jìn)一步地，在1.66THz和3.358THz處頂層表面電流與金屬底層表面電流方向相反，從而在上下層金屬之間形成類似于環(huán)形電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在上下層金屬之間所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與入射波磁場(chǎng)方向相反，介質(zhì)層內(nèi)部感應(yīng)磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)相消，導(dǎo)致電磁波的吸收。

圖6 雙波段吸波器頂層金屬和底層金屬表面電流分布

4 結(jié)論

太赫茲吸波器在通訊、傳感器及成像方法方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的太赫茲吸波器，由4個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的梯形金屬體和2條連接梯形體的長(zhǎng)方形金屬方條構(gòu)成，通過(guò)在梯形金屬體沿高方向開(kāi)一裂縫，實(shí)現(xiàn)雙波段吸收。該雙波段太赫茲吸波器在1.66THz和3.358THz兩個(gè)頻段吸收率分別達(dá)到99.9%和99.8%。通過(guò)改變參數(shù)，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸波器的影響發(fā)現(xiàn)，該吸波器還具有極化不敏感性和較寬入射角良好吸收性特點(diǎn)，為太赫茲吸波器設(shè)計(jì)提供有益參考。