太赫茲波段雙寬帶極化無關超材料吸波體的設計研究

王連勝，夏冬艷，丁學用，汪 源，何彥廷

太赫茲波段雙寬帶極化無關超材料吸波體的設計研究

王連勝1，夏冬艷2，丁學用1，汪 源1，何彥廷1

（1. 三亞學院理工學院，海南 三亞 572022；2. 三亞學院財經學院，海南 三亞 572022）

設計了一種太赫茲波段的雪花狀雙寬帶極化無關超材料吸波體。采用時域有限元積分的方法對結構單元的電磁特性進行計算，結果表明結構單元在0.9～1.2THz之間出現了兩個吸收帶，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行分析，發現其雙寬帶吸收特性是由不同的諧振頻率疊加產生的；通過對結構單元在不同級對稱性破缺下的吸收特性進行計算分析，發現結構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；超材料吸波體；對稱性破缺效應

0 引言

超材料吸波體是一種結構型吸波體，由周期性吸收單元組成吸波陣列，每個吸波單元一般是三明治結構：頂層的金屬圖案、中間層的介質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電環諧振器和短導線組合而成的超材料吸波體，金屬結構的諧振會使得超材料吸波體中局域場急劇增強，在達到阻抗匹配的情況下，具有損耗的電介質會對電磁波產生強損耗吸收[3]。此后，超材料吸波體的設計從微波波段[4-5]進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]，從單頻帶吸收擴展到雙頻帶[13-15]、三頻帶[16-18]、寬帶[19-20]以及可調[21]吸收。基于人工結構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學、生物、軍事以及熱成像儀等領域和設備上的應用提供了廣闊的前景。

目前，設計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[22]、He[23]和Van Tuong Pham[24]等提出的利用多層金屬與介質層交替疊加實現寬帶吸收；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現寬帶吸收；最后一種是Huang[28]，Wang[29]，Cheng[30]和Wen[31]等提出的平面內不同尺寸金屬單元排列來實現寬帶吸收。其中，前兩種方法要求各層嚴格對準，對工藝要求高，制備過程復雜，加工成本高。第3種方法僅設計3層結構，在工藝上容易實現，而且成本低，但是Huang，Wang等人設計的結構是通過平面內不同尺寸金屬單元排列實現的，吸收特性是極化相關的。在許多實際的應用中，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。基于此，結合Zhao X P教授課題組提出的具有各向同性結構的樹枝狀超材料及其符合化學上自然生長的制備方法[32]，本文設計了太赫茲波段的雪花狀雙寬帶極化無關電磁超材料吸波體，結構單元在0.9～1.2THz之間出現了兩個寬帶吸收峰，由于結構單元的旋轉對稱性，故其吸收特性是極化無關的；由于結構單元的金屬單元是單一尺寸的，故其加工成本更低。

1 模型設計

本文設計的太赫茲波段雪花狀雙寬帶極化無關超材料吸波體結構單元模型如圖1所示，正視圖如圖2所示。結構單元由3層材料組成：第一層為雪花狀金屬銅層（電導率為5.9×107S/m），厚度為50mm；第二層為FR4介質層（正切損耗角為0.025，介電常數為4.9），厚度為500mm；第三層為金屬銅基板，厚度為100mm。結構單元的有關尺寸為：＝800mm，＝200mm，＝200mm，＝10mm，＝60°，上述結構單元的厚度及結構尺寸是經優化后得出的。

采用商業三維電磁仿真軟件Microwave studio CST對圖1所示的模型按上述參數進行建模，仿真過程中采用波導端口激勵，周期邊界條件設置為、方向，其中方向為完美磁邊界（PMC），方向為完美電邊界（PEC），方向設置為激勵入射端口，采用時域求解器對結構單元的電磁參數進行計算。

圖1 結構單元示意圖

圖2 結構單元正視圖

2 結果分析與討論

圖3 結構單元的吸收率曲線

根據測得的參數，采用參數反演法計算了超材料吸波體結構單元的歸一化阻抗實部，結果如圖4所示，從圖4可以看出，歸一化阻抗實部在0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz之間接近于1，根據超材料吸波體歸一化阻抗實部的計算公式2＝1/0，其中2為超材料吸波體的歸一化阻抗實部，1為超材料吸波體的阻抗實部，0為自由空間的阻抗實部，當超材料吸波體的歸一化阻抗實部接近1時，超材料吸波體的阻抗實部與自由空間的阻抗實部接近，表明超材料吸波體與自由空間達到了良好的阻抗匹配，吸收率較高。

圖4 歸一化阻抗實部曲線

為分析超材料吸波體結構單元寬帶吸收峰出現的原因，在吸收帶內隨機選取0.967THz、0.989THz、1.101THz和1.114THz四個頻率點處結構單元的表面電流分布進行分析，結果如圖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圖中虛線框內的區域；1.114THz處的表面電流均勻分布于雪花狀金屬結構層。這說明不同的諧振頻率是由結構單元不同的部分引起的。由此可見，結構單元在電磁波的作用下會在不同頻率處產生諧振，多個諧振頻率疊加產生寬帶吸收。

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

圖5 表面電流分布

圖6 不同線寬下結構單元的吸收率曲線

3 對稱性破缺效應研究

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

對結構單元在不同級別對稱性破缺下的吸收率進行測量計算，結果如圖8所示。從圖8可以看出，結構單元在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生明顯變化；在5級、6級和7級對稱性破缺下結構單元的雙寬帶吸收特性消失，只出現了雙吸收峰，分析原因主要是隨著對稱性破缺程度的加大，引起諧振的結構單元組成部分減少，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。上述結果說明結構單元的雙寬帶吸收特性對對稱性破缺不敏感，有利于實際實現。

4 總結

自然界中很多材料在太赫茲頻段沒有電磁響應，太赫茲超材料的出現為太赫茲技術的發展和應用帶來了新的機遇。本文設計了一種太赫茲波段的雪花狀雙寬帶極化無關超材料吸波體，結構單元由3層材料組成：頂層的雪花狀金屬層，中間的FR4介質層以及底層的金屬銅基板。采用時域有限元積分的方法對結構單元的電磁特性進行計算，結果表明結構單元在0.9～1.2THz之間出現了兩個吸收帶，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；計算表明，兩個吸收頻帶內的歸一化阻抗實部接近于1，表明結構單元與自由空間實現了良好的阻抗匹配；通過對其表面電流分布進行分析，發現其雙寬帶吸收特性是由不同的諧振頻率疊加產生的；通過對結構單元在不同級別對稱性破缺下的吸收特性進行測量計算，結構單元的雙寬帶吸收特性對對稱性破缺不敏感。結構單元具有簡單、較容易實現等優點。

圖7 不同級別對稱性破缺下結構單元的正視圖

圖8 不同級別對稱性破缺下結構單元的吸收率

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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。

海南省自然科學基金項目（114015）；海南省自然科學基金項目（614252）。