基于表面金屬結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸波器件研究*

陳偉強(qiáng)，鐘舜聰,2*

(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引 言

電磁吸波器件是指可以將入射電磁波盡可能吸收，并通過(guò)不同的機(jī)制轉(zhuǎn)化損耗，減少能量反射的功能器件。這類(lèi)器件作為電磁隱身技術(shù)[1，2]的重要組成部分。除此之外，隨著科技的高速發(fā)展，人們身邊種類(lèi)、數(shù)量繁多的電子設(shè)備同樣也帶來(lái)了電磁污染的風(fēng)險(xiǎn)，電磁吸波技術(shù)的發(fā)展也是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通訊[3]和太陽(yáng)能電池[4]等領(lǐng)域也有著巨大應(yīng)用潛力。

傳統(tǒng)吸波器件以經(jīng)典的Salisbury吸收屏[5]為例，是由金屬底板、厚度為四分之一波長(zhǎng)的介質(zhì)材料與電阻層組成，利用干涉相消來(lái)實(shí)現(xiàn)吸波的目的。這類(lèi)傳統(tǒng)吸波器件由于天然材料本身性質(zhì)的局限性，存在著器件體積大、質(zhì)量重、吸波頻帶窄等缺點(diǎn)。超材料的出現(xiàn)為這領(lǐng)域的研究注入新的活力。

超材料作為一種新型電磁材料，其響應(yīng)性質(zhì)是人為可調(diào)控的，因此這種材料具有負(fù)介電常數(shù)[6，7]、負(fù)折射率[8-9]、逆多普勒效應(yīng)及逆斯涅耳定律[10]等獨(dú)特的屬性?；诔牧系碾姶盼ㄆ骷赏ㄟ^(guò)合理設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率段電磁波完美吸收的同時(shí)，還具有頻帶寬、厚度薄、集成度高、高吸收等優(yōu)點(diǎn)。在缺乏有效功能器件的太赫茲波段，超材料理論的提出與證實(shí)為太赫茲吸波器件邁向?qū)嵱锰峁┝丝赡?，也成為了太赫茲[11-13]領(lǐng)域相關(guān)人士所關(guān)注的熱點(diǎn)。

早期太赫茲波段的超材料吸波器件僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)單一頻率或窄頻帶的完美吸收；同時(shí)由于材料各向異性等性質(zhì)存在，還只能對(duì)TE或TM[14]其中一種極化波進(jìn)行吸收，對(duì)于多頻點(diǎn)、寬頻帶、極化模式不敏感的器件還處于理論模擬階段。目前，對(duì)于太赫茲超材料吸波器件的研究已擴(kuò)展到多頻點(diǎn)和寬頻帶的吸收。

本研究提出一種基于超材料的太赫茲吸波器件。

1 超材料吸波器件模型

因?yàn)槌牧掀骷諑挿浅Ｕ瑸榱藢?shí)現(xiàn)寬帶及多頻點(diǎn)吸收，研究人員主要采取的方法是，將對(duì)應(yīng)不同諧振頻率的結(jié)構(gòu)組合到一個(gè)超材料單元，如雙諧振環(huán)[15]、雙十字[16]及多層結(jié)構(gòu)[17]等。

在此，筆者采用了將兩種不同的表面金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合的方法來(lái)擴(kuò)展吸波頻帶寬度，器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超材料吸波器件模型

超材料吸波器件參數(shù)如表1所示。

表1 超材料吸波器件參數(shù)

圖1中的器件為金屬結(jié)構(gòu)-介質(zhì)層-金屬底板的典型三層結(jié)構(gòu)，第一層為十字結(jié)構(gòu)與諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組合而成，其中結(jié)構(gòu)的周期a1為120 μm，方形開(kāi)口環(huán)邊長(zhǎng)a2為100 μm，十字結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度a3和寬度b1分別為70 μm及10 μm，方形諧振環(huán)寬度b2和缺口尺寸b3分別為10 μm和20 μm，三層結(jié)構(gòu)厚度d1、d2、d3分別為0.2 μm、12.5 μm和1 μm，模擬時(shí)第一層和第三層采用的金屬材質(zhì)均為損耗金屬金，它在太赫茲頻段的電導(dǎo)率為4.56×107S·m-1，第二層介質(zhì)選用聚亞酰胺材料，聚亞酰胺在太赫茲段的介電常數(shù)為3.1+j0.217。通常情況下，器件的透射率T(ω)、反射率R(ω)及吸收率A(ω)三者關(guān)系滿(mǎn)足下式：

A(ω)=1-R(ω)-T(ω)

(1)

式中：A—吸收率；R(ω)—反射率；T(ω)—透射率。

對(duì)于本器件而言，由于最后一層金屬底板的厚度大于電磁波的趨膚深度，太赫茲波無(wú)法穿透金屬底板，透射率T(ω)為0，上式可簡(jiǎn)化為：

A(ω)=1-R(ω)

(2)

2 模擬結(jié)果與討論

首先，筆者在CSTStudio仿真軟件中分別建立如圖1所示的超材料結(jié)構(gòu)、十字結(jié)構(gòu)以及方形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)，隨后設(shè)置仿真條件：器件的邊界條件設(shè)為Unit Cell，入射電磁波角度設(shè)為垂直入射，極化模式設(shè)置為T(mén)EM極化，仿真的頻率范圍設(shè)為1 THz～3 THz。

仿真條件設(shè)置完畢后，運(yùn)行仿真軟件后得到器件反射率曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 吸波器件反射率曲線(xiàn)

圖2中，器件在1.26 THz～1.33 THz的吸收率均超過(guò)99%，在1.23 THz～1.37 THz吸收率均大于90%；而單獨(dú)十字結(jié)構(gòu)在共振頻率1.29 THz處吸收率為99.3%，在1.27 THz～1.31 THz吸收率超過(guò)90%；方形開(kāi)口環(huán)在共振頻率1.36 THz處吸收率為99.4%，在1.32 THz～1.38 THz處吸收率超過(guò)90%。

與組合前單獨(dú)的兩種結(jié)構(gòu)吸波性能相比，組合后的器件不論吸收率還是吸收頻帶的帶寬均得到了有效提升；同時(shí)，其吸收頻帶略微向低頻移動(dòng)，并非是簡(jiǎn)單的兩個(gè)單獨(dú)吸收頻帶的疊加，這是由于兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生了耦合。

為了定性分析器件的吸波機(jī)理,筆者對(duì)共振頻率處的電場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真，得到器件的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布，如圖3所示。

圖3 吸波器件電磁場(chǎng)分布

圖3中，在1.27 THz處，電場(chǎng)主要集中在十字結(jié)構(gòu)的上下兩端，在1.35 THz處電場(chǎng)則主要集中在開(kāi)口環(huán)的4個(gè)缺口處。

由于對(duì)電磁波的主要吸收來(lái)源于介質(zhì)內(nèi)的磁響應(yīng)，從圖3(c，d)中可以看出，不論是1.27 THz還是1.35 THz，介質(zhì)中磁場(chǎng)主要都集中在開(kāi)口環(huán)上下端與開(kāi)口環(huán)上下兩個(gè)缺口處。這表明器件對(duì)于太赫茲波的吸收主要是由于這些位置的強(qiáng)電磁場(chǎng)諧振引起的。

吸波器件的電流和功率損耗分布如圖4所示。

圖4 吸波器件電流及功率損耗分布

圖4中，當(dāng)入射電磁波在器件第一層金屬表面結(jié)構(gòu)發(fā)生耦合時(shí)，在開(kāi)口環(huán)兩側(cè)形成了相反的電流，這對(duì)反向電流消除了開(kāi)口環(huán)表面磁響應(yīng)，因此，此時(shí)在開(kāi)口環(huán)上只存在電響應(yīng)；在器件的底板則出現(xiàn)了與表面電流方向相反的電流引起了循環(huán)位移電流，在介質(zhì)材料間產(chǎn)生了磁共振損引起了介電損耗。

從圖4還可以看出，損耗主要集中在諧振環(huán)缺口及十字結(jié)構(gòu)豎直部分兩端，這也與磁場(chǎng)的分布相吻合，也證明了當(dāng)模擬的入射電場(chǎng)以平行x軸形式入射時(shí)，由于這些位置產(chǎn)生的響應(yīng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度大，進(jìn)而產(chǎn)生較高的位移電流引起了主要的介電損耗，使入射波能量發(fā)生吸收轉(zhuǎn)化。

3 超材料吸波器件的性能分析

不同介質(zhì)厚度下器件的反射率曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 不同介質(zhì)厚度下器件的反射率曲線(xiàn)

圖5中，隨著介質(zhì)厚度的增加，器件共振頻率逐漸往低頻移動(dòng)，同時(shí)反射率也發(fā)生變化，在厚度取12.5 μm時(shí)，共振頻率處的反射率最小，吸收峰值最大，超過(guò)99.9%，可以視作為完美吸收；

同時(shí)，這個(gè)厚度下器件的吸收帶寬最寬，隨著厚度增加到15 μm、17.5 μm、20 μm時(shí)，共振頻率往低頻移動(dòng)至1.29 THz、1.27 THz、1.26 THz處，共振頻率處的反射率升高，吸收峰值下降至99%、96%以及87%，吸收帶寬也逐漸縮窄。

這一由介質(zhì)厚度變化引起的器件吸收性能變化的現(xiàn)象，可以通過(guò)多重干涉理論來(lái)解釋。

太赫茲波在器件內(nèi)的傳播如圖6所示。

圖6 太赫茲波傳播路徑示意圖

如此循環(huán)反復(fù)，所以反射波就等于所有出射波的總和，其表達(dá)式如下：

(3)

為了使反射波為0，根據(jù)式(3)可以得到其各反射波和透射波幅值大小應(yīng)滿(mǎn)足下式：

(4)

反射波和透射波相位滿(mǎn)足下式：

(5)

此時(shí)器件發(fā)生干涉相消，反射波為0，吸波器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射波的完美吸收。

對(duì)于吸波器件而言，在不同極化模式和不同入射角度下，能否一樣保證良好的性能是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)，因此，在TE和TM極化模式、不同入射角度下，筆者對(duì)于器件性能進(jìn)行了仿真。

TE和TM模式下器件的反射率曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 TE與TM模式下器件反射率曲線(xiàn)

圖7中，當(dāng)入射波為T(mén)E波時(shí)，當(dāng)入射角度為0°～60°時(shí)，共振頻率略微向低頻移動(dòng)，同時(shí)共振頻率處的反射率也隨之升高；當(dāng)入射角度小于45°時(shí)，共振頻率處的吸收率均高于90%；當(dāng)入射角度為60°時(shí)，共振頻率處吸收率也仍高于20%；當(dāng)入射波為T(mén)M波時(shí)，當(dāng)入射角度為0°～60°過(guò)程中，共振頻率也同樣略微向低頻移動(dòng)，共振頻率處的反射率也同樣隨之升高；當(dāng)入射角度小于60°時(shí)，器件的最大吸收率仍大于90%。

由此可見(jiàn)，該器件具有極化不敏感和偏振不敏感的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)器件從單一頻帶吸收擴(kuò)展到多頻帶吸收，從窄頻帶吸收擴(kuò)展到寬頻帶吸收，筆者利用了將十字與方形開(kāi)口環(huán)兩種不同金屬單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合的方法，成功擴(kuò)寬了器件的吸收頻帶，提高了共振頻率處的吸收率，同時(shí)還具備極化模式和入射角度不敏感的優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，相對(duì)于其他寬帶吸波體，該器件的吸收率和吸收頻帶的帶寬均有所提升，并且其較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也有利于加工制作。