一種雙波段太赫茲吸波器

李創輝 曾繁政 曾妍 莫瑜章

（1.賀州學院 建筑與電氣工程學院，廣西 賀州 542899；2.賀州學院 賀州市微波應用技術重點實驗室，廣西 賀州 542899）

0 引言

電磁超材料是一種具有亞波長尺寸的周期或非周期結構材料，其等效材料和媒質屬性取決于所設計的單元參數及排列形式[1]。通過合理的設計，可獲得負介電常數[2]、負磁導率[3]、負折射率等[4]天然材料中所不具有媒質特性。超材料吸波器具有小型化、質量輕等優點，在隱身技術、傳感器等多領域存在應用價值，且自從landy等[5]提出完美吸波體后，超材料吸波器便成為國內外一個重要的研究熱點。

本文設計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個開縫的旋轉對稱梯形金屬體和2條連接梯形體的金屬方條構成，實現了在1.66THz和3.38THz雙波段吸收，在1.66THz吸收率達到99.9%，在3.38THz吸收率達到99.8%。通過改變參數，分析不同結構參數對吸波器的影響。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。

1 結構設計

所設計的雙波段吸波器單元采用金屬-介質-金屬三層結構，單元結構周期p為30μm，單元結構底層和頂層采用有色金屬銅，其電導率為5.8×107S/m，厚度t0均為0.2μm；介質層相對介電常數為3.5+0.2i，頂層金屬由具有旋轉對稱的等腰梯形構成，梯形短邊長L2為2μm，梯形長邊長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h為9μm，相對的兩個梯形，用長L為6μm、寬w1為0.8μm的長方形金屬體連接短邊，其結構如圖1所示。表1為該單元結構的參數和具體的取值。

表1 雙波段吸波器單元結構參數表

圖1 超材料雙波段吸波器單元結構示意圖

2 仿真結果

在CST2019上建立超材料單元結構模型，X方向和Y方向上設置unit cell邊界條件，Z方向設置為open（add space）邊界條件，設置電磁波沿著Z負方向傳播，從所設計單元頂層進入。采用頻域求解器進行求解，通過仿真得出超材料的S參數，由S參數可以計算出該超材料隨頻率變化的吸波情況。所設計結構的底層厚度為0.2μm有耗金屬，遠大于趨膚深度，從頂層入射的電磁波透過底層的部分可以近似等于0。因此，電磁波入射到超材料時，一部分電磁波在材料表面產生反射，一部分被吸收。設反射率為R(ω)，吸收率為A(ω)，則反射率R(ω)=，吸收率A(ω)=1-R(ω)，只要對單元結構進行合理設計，使超材料與大氣層匹配，反射波趨于零，則可以實現完美吸收。對所設計的結構在1THz到4.5THz進行仿真，圖2中給出了TE極化波和TM極化波在垂直入射時的仿真結果。對TE極化波，在1.66THz和3.38THz處有兩個吸收峰，其吸收率分別為99.9%和99.8%，如圖2(a)所示；對于TM極化波，如圖2(b)所示，其結果與TE極化波相差很小，這是由于該吸波器結構具有對稱性，同時也說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，對TE極化波、TM極化波進行仿真。由圖3(a)可知，在TE極化波下，入射角為40°時吸波器的吸收率大于95%，當入射角度增大到60°時，吸收率仍然具有80%以上。隨著入射角度的增大，入射磁場的X分量逐漸減小，頂層金屬不再能有效地激發更強的磁場，電磁吸收變得越來越弱[6]，當入射角度增大到80°時，吸收率迅速下降到45%以下。對于TM極化波，即使入射角增大到60°，整體吸收特性變化不大；當入射角度增大到80°時，仍具有88%以上的吸收率，但吸收頻率有較大的藍移。

圖3 不同入射角條件下TE 極化吸波率

仿真中通過改變方條的寬度w和長度L（梯形整體往外或內移動），在電磁波垂直入射下，分析方條長寬變化對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象，表明通過改變L的長度可以調節低頻諧振頻段；隨著w1增大，吸收率幾乎保持不變，但諧振頻率在兩個頻段均出現了輕微的藍移，如圖4(b)所示。

圖4 方條寬度變化對吸波率影響

等腰梯形裂縫參數對吸波器高頻段有重要的影響，為了更好地觀察裂縫參數變化對吸波性能的影響，先將吸波器參數調整為w1=0.8μm，L=6μm，此時兩個吸收峰吸收率分別達到最大的99.9%和99.8%。分別改變裂縫寬度w和長h，得到吸波器吸波特性隨頻率變化關系，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，同時高頻頻段諧振頻率具有明顯的紅移；隨著h長度減小，吸波器吸收率顯著減小，此時高頻頻段諧振頻率具有明顯的藍移，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，同時發現不管h減小或是w增加，結構與自由空間的匹配程度均會降低，可見h和w參數變化對高頻段阻抗匹配有重要的影響，可以通過合理調整h和w實現高頻頻段的完美吸收。

圖5 方條長度變化對吸波率影響

3 機理分析

為了理解超材料吸波器產生兩個吸波峰的原因，有必要了解超材料吸波器單元結構表面電流分布情況，而通過在吸收峰的頻點處設置表面電流監控器，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可以發現，兩個不同吸收峰激發的諧振電流區域不同，在1.66THz處，其頂層表面電流主要集中在中間的兩個梯形相連接處，在3.358THz處頂層表面電流分布主要集中在旁邊兩個梯形的開口縫隙處。進一步地，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形電流所產生的磁場，在上下層金屬之間所產生的磁場與入射波磁場方向相反，介質層內部感應磁場與外加磁場相消，導致電磁波的吸收。

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用價值。本文設計的太赫茲吸波器，由4個旋轉對稱的梯形金屬體和2條連接梯形體的長方形金屬方條構成，通過在梯形金屬體沿高方向開一裂縫，實現雙波段吸收。該雙波段太赫茲吸波器在1.66THz和3.358THz兩個頻段吸收率分別達到99.9%和99.8%。通過改變參數，分析不同結構參數對吸波器的影響發現，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，為太赫茲吸波器設計提供有益參考。