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超材料的太赫兹宽带吸波体设计

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《物理学报》2014年第十二期

1结构设计与机理

本文的设计思路是:首先设计五个吸收峰相互靠近的完美单峰吸波体,然后由这五个单峰吸波体按照相邻不同规律排列成5×5的阵列,各单峰吸波体产生的谐振吸收峰相互叠加,从而产生宽带吸收.

1.1单峰吸波体设计本文设计的吸波体是金属-介质-金属三层结构,两层金属都采用金(ed),其电导率为σ=4.09×107S/m[?],中间介质层为损耗聚合物(Polyimide)[?],其介电常数的实部εr=3.5,损耗角正切tanδ=0.057.器件性能仿真是在基于时域有限积分法的电磁波仿真软件CSTMicrowaveStudio2011中进行,采用频域求解器,x和y方向为周期边界条件,z方向为开放边界条件.单峰吸波体结构如图1所示,它的底面为金属薄膜,表面金属块由一个正方形与位于四边的四个相同半圆组合而成.两层金属厚度均为0.2µm,中间介质厚度为1.2µm,x和y方向的周期大小均为20µm.当太赫兹波垂直表面入射时,吸波体的吸收率A由公式A=1−|S11|2−|S21|2计算,其中,S11和S21分别表示吸波体的反射系数和传输系数,可由仿真计算得到.由于太赫兹在金属中的趋肤深度约为70nm,小于金属层厚度,故透射系数S21=0,吸收率A=1−|S11|2,要想获得大的吸收率A,必须降低反射率.根据阻抗匹配理论,通过改变吸波体结构参数,可调节其等效阻抗直至与自由空间阻抗(约为377Ω)相匹配,此时反射率最小,吸收率最大.图1中D表示金属块的总长度,w表示金属块中央正方形的边长,且有D=2w.本设计中采用五种不同尺寸的金属块,经优化后,尺寸分别是D1=19µm,D2=17.86µm,D3=16.72µm,D4=15.58µm,D5=15.11µm的单峰吸波吸收曲线如图2所示.由图2可知,中间介质层厚度为1.2µm时,五种尺寸金属块构成的吸波体吸收率几乎都达到了100%,D1,D2,D3,D4和D5金属块对应的谐振吸收频率分别为4.69THz,5.06THz,5.42THz,5.84THz和6.04THz.

1.2单峰吸波体吸波机理为了研究吸波体的吸波机理,我们对单峰吸波表面电流和电场z分量进行了计算与分析.以金属块尺寸为D3的单峰吸波体为例,在5.42THz处设置相应的场监视器,在正入射条件下计算得到的表面电流和电场z分量分布如图3所示.由图3(a)和(b)可知,在正入射情况下,表面金属和金属基底形成了反平行电流,这会导致很强的磁响应,从而在z方向上产生由入射磁场引起的磁谐振.由图3(c)可知,异性电荷沿着y方向分别在表面金属层的上半部分和下半部分积聚,同时,从图3(d)可知金属基底上对应部位的电荷刚好与之相反,这说明在y方向上存在由电场引起的电偶极子谐振[?].这种强烈的电磁谐振,使得电磁能量被消耗在吸波体中,最终产生接近100%的吸收率.图3(a)和(b)所示的磁谐振可以用一个如图4所示的等效LC振荡电路来表示。式中,等效电感Le正比于Dt/w,等效电容Ce正比于wD/(2t),其中D和w分别是金属块的总长度和中央正方形的边长,t为介质层厚度.由(??)式可知,谐振频率与等效电感和等效电容乘积LeCe的平方根成反比,而LeCe正比于D2,则谐振频率f应与金属块尺寸D成反比,这与图2的仿真结果完全一致.

1.3宽带吸波体设计本文提出的宽带吸波体是根据多吸收峰叠加扩展带宽的原理,由图2所示的五个相邻谐振吸收峰叠加形成宽带吸收.其表面金属层包含五种尺寸接近的金属块作为谐振器,它们的排列规律是:在每一个阵列周期中,五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规则排列成一个5×5的方形阵列,即每一金属块与其相邻四块尺寸均不相同,这样就可以实现将五个相邻的谐振吸收峰叠加,并最大限度地扩展带宽.按照这种规律设计而成的太赫兹宽带吸波体结构如图5所示.经优化后,宽带吸波体在x和y方向上的周期大小均为100µm,相邻金属块的中心间距d=20µm,各个金属块的尺寸D和图2相同.为实现阻抗匹配,中间介质层厚度t此时为2.65µm,两层金属厚度仍保持0.2µm不变,所有材料参数保持和单峰吸波体的相同.该宽带吸波体的仿真结果如图6所示.由图6可知,宽带吸波体的吸收率最高可达到98.7%,吸收率80%以上对应的带宽约为1.2THz,FWHM达到了1.6THz,吸收带内相对平坦.吸收带的中心频率约为4.98THz,对应的中心波长为60.24µm,大约是吸波体总厚度3.05µm的20倍,说明该宽带吸波体具有超薄的特点.

1.4宽带吸收机理为了探讨宽带吸收的产生机理,我们对图7(a)—(e)所示仅含单一尺寸金属块的吸波体进行了仿真,在其他尺寸和材料参数与上述宽带吸波体完全相同的条件下,各吸波体的吸收曲线如图7(f)所示.由图7(f)可知,随着吸波体表面金属块尺寸逐渐减小,谐振吸收峰逐渐蓝移,对应的吸收率逐渐减小.谐振吸收峰的变化趋势与图2完全一致,而吸收率逐渐减小是由于表面金属层的欧姆损耗变得越来越小.同图2所示的吸收曲线相比较,图7(f)中各吸收曲线均未达到100%的吸收,因为此时吸波体的阻抗与自由空间阻抗不完全匹配.将这五种不同尺寸的金属块按照2.3所述的相邻不同规律排列在一个周期单元中,各吸收峰会互相叠加,并且由于强烈的耦合效应而相互加强,最终出现图6所示的宽带吸收效果.为进一步研究宽带吸收机理,我们仿真了f=4.66THz,f=4.95THz,f=5.13THz,f=5.36THz和f=5.8THz五个谐振吸收频率所对应的金属基底能量损耗密度,结果如图8所示.由图8可知,能量损耗是由y方向上电场引起的电偶极子振荡产生,每一个谐振吸收频率对应的能量损耗密度主要由某一种尺寸的金属块贡献,金属块尺寸与谐振单元金属块尺寸相差越远,对应基底位置的能量损耗密度则越小,宽带吸波体的能量损耗是这五种不同尺寸金属块共同贡献的结果.

2不同参数对吸收性能的影响

2.1相邻金属块中心间距d的影响由于相邻金属块之间存在强烈的电磁耦合,因此可以分析吸波体受不同金属块中心间距d影响的规律.当其他参数不变,表层相邻金属块中心间距分别为d=19µm,20µm,21µm和22µm时,仿真得到的宽带吸波体吸收曲线如下图9所示. 由图9可知,随着相邻金属块中心间距d的增大,吸收带中心频率逐渐蓝移,这主要是因为随着中心间距d的增大,相邻金属块间的电磁耦合减弱,导致各金属块的等效电感变小,最终使谐振频率增大.另外,间距d=21µm时,带内吸收率最大,因为此时吸波体与自由空间的阻抗匹配最好.综合考虑吸收带宽和吸收率的大小,我们选择d=20µm为最终间距.

2.2介质材料损耗角正切的影响设介质层材料的复介电常数ε=εr+iεi,其中介电常数的实部εr=3.5,介质的损耗角正切tanδ=εi/εr,当损耗角正切分别为0.057,0.0057和0.00057时,对应的吸收曲线如图10所示.由图10可知,随着损耗角正切的减小,吸收曲线下降且吸收带宽变窄.这是因为入射太赫兹波能量的吸收主要归因于介质损耗和两层金属的欧姆损耗,损耗角正切值减小则介质层的介电常数虚部减小,从而引起介质损耗减小,最终导致电磁能量吸收减小.

2.3介质层厚度的影响为了研究介质层厚度对吸收性能的影响,我们仿真获得了介质层厚度分别为t=2.45µm,2.55µm,2.65µm,2.75µm和2.85µm时的吸收曲线,结果如图11所示.由图11可知,当介质层厚度逐渐增大时,吸波体的吸收带宽和带内吸收率变化很小,只是吸收带中心频率出现微小的红移.这是因为电磁波在介质层中传输时其路径相位为[?]厚度,λ为入射太赫兹波波长.由于垂直入射到均匀介质层的太赫兹波是平面波,故可认为φp为一定值.又由于入射角θ=0,介电常数实部εr=3.5,所以t/λ为定值,即介质层厚度t与入射波长λ成正比.又因为真空中的光速c=λf,故波长λ与谐振吸收频率f成反比,即介质层厚度t与吸收频率f成反比.因此当介质层厚度增加时,吸收带中心频率红移.图11底部插图表示f=5.13THz时,宽带吸波体中金属块D3所在的吸波单元在y=0平面内的能量损耗密度分布.由图可知,能量主要损耗在金属块D3下表面两端,介质中的能量损耗很少,这说明宽带吸波体的损耗主要是由金属层欧姆损耗引起,故介质层厚度的改变对吸收率影响很小.

3偏振敏感性和角度敏感性

3.1偏振敏感性当太赫兹波的入射角θ=0◦,位相角ϕ=0◦,15◦,30◦和45◦时,仿真得到的吸收曲线如图12所示.由图12可知,当位相角变化时,吸收曲线几乎不变,这说明吸波体对入射太赫兹波的偏振方向不敏感,这主要归因于器件结构的对称性,这一特性对太赫兹波探测具有十分重要的意义.

3.2角度敏感性当入射太赫兹波的位相角ϕ=0◦,入射角θ=0◦,15◦,30◦,45◦和60◦时,对应的吸收曲线如图13所示。由图13可知,随着入射角θ的增大,吸收率逐渐减小.这是因为,随着入射角的增大,入射磁场的x分量逐渐减小,则在表面金属块之间的磁流密度越来越小,于是被吸收的磁能越来越少,从而电磁吸收也会越来越少[?].尽管吸收率随入射角增大而减小,但入射角增加到60◦时,吸收率75%以上对应的带宽仍达到0.9THz,这仍然能够满足许多实际应用的要求.

4结论

本文基于多谐振吸收峰叠加扩展带宽的思想,提出了一种由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同规律排列构成的宽带太赫兹吸波体.该宽带吸波体吸收率80%以上对应的带宽约为1.2THz,FWHM为1.6THz.太赫兹波的吸收由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,能量损耗以金属层的欧姆损耗为主.在此基础上建立起吸波体的等效LC电路模型,并用来解释吸波体结构参数对中心频率偏移的影响机理.该宽带吸波体由两层金属和一层介质构成,结构简单,加工容易,成本低廉.另外,吸波体对偏振方向不敏感,且具有大角度吸收和超薄的优点.该宽带吸波体在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域都有极大的应用价值.若按比例改变吸波体的尺寸,可以将吸收频率范围降低到目前太赫兹常用的频段(0.3—3THz),也可以拓展到微波和红外等波段.

作者:邹涛波胡放荣肖靖张隆辉刘芳陈涛单位:桂林电子科技大学电子工程与自动化学院空军勤务学院

物理学报责任编辑:田老师    阅读:人次
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