一種梳狀太赫茲吸波器

李創輝 ，鄧玉賞 ，曾繁政 ，莫瑜章

（1賀州學院 廣西 賀州 542890)

（2賀州市微波應用技術重點實驗室 廣西 賀州 542890）

0 引言

近年來，隨著太赫茲輻射、探測技術及功能器件的發展，太赫茲吸波器在通信、傳感、成像等[1]方面存在潛在的應用價值，而傳統吸波器由于體積大、質量重及不容易控制吸收特性等缺點，難以滿足太赫茲技術應用需要。自從landy等[2]首次利用亞波長結構設計超材料吸波器后，國內外研究人員對超材料吸波器進行了大量研究，獲得了如工字形[3]、T形[4]、I形[5-6]等具有良好吸收特性的各種結構吸波器，而這類吸波器吸收頻帶比較窄。為了擴展吸收頻帶寬度，需要在鄰近吸收頻率實現多個諧振吸收峰，主要采用方法包括似型平鋪[7]、似型嵌套[8]、多層疊加[9]等。這些方法中，存在單元尺寸大、空間排列困難、制造困難或厚度限制等缺點。

為了克服這些缺點，本文提出了一種基于梳狀結構圖案實現的寬頻太赫茲超材料吸波器，該吸波器采用金屬-介質-金屬典型3層結構，頂層由4個結構相同的梳狀圖案構成。仿真結果顯示，該吸波器吸收曲線在6～10 THz頻帶范圍內出現了5個強吸收峰，每個吸收峰吸收率均不小于98.7%，且吸收率大于97%的頻率范圍達到2 THz。同時對極化敏感性及入射角度敏感性進行分析，所設計的吸波器具有極化無關及較寬入射角良好吸收特性。

1 結構設計

如圖1(a)所示，所設計超材料結構單元周期P取30 μm，中間層采用有耗介質，厚度為4.5 μm，介質相對介電常數為3.5+0.2i，頂層和底層均采用金屬銅，其電導率為5.8e7，厚度均為0.15 μm，底層為全覆蓋。頂層通過圖1(b)所示梳狀結構圖案旋轉獲得，梳狀結構中的每個齒寬度為2 μm，相鄰兩個齒之間縫隙寬度為0.5 μm，連接各個齒的脊L長21 μm，寬為0.5 μm，梳狀結構中間的3個齒高度均為h，其值等于6.1 μm，左右外側兩個齒高度均為h1，其值為3.9 μm。

2 仿真分析

根據電磁波的傳輸特性，吸波器的吸收率可表示為A(f)=1-R(f)-T(f)，其中R(f)表示吸波器的反射率，其值等于T(f)|S11（f）|2，表示吸波器的透射率，其值等于|S21（f）|2。由于所設計結構的底層厚度為0.15 μm，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，即T(f)=|S21（f）|2≈0，只要對單元結構進行合理設計，使其與大氣層匹配，反射系數S11（f）在工作頻段內趨于零，則可以實現完美吸收。利用CST2019建立吸波器單元結構模型，設置X方向和Y方向的邊界條件為unit cell，設置Z方向的邊界條件為open（add space）。電磁波從所設計單元頂層進入并沿著Z負方向傳播，采用頻域求解器進行求解，仿真得出超材料的S參數，由S參數可以計算出超材料隨頻率變化的吸收情況。圖2給出了所設計的結構6～10 THz頻率范圍內TE極化波和TM極化波的仿真結果。由圖2可知，TE極化波垂直入射時，在所仿真的頻段范圍內出現5個吸收峰，分別位于6.8 THz、7.35 THz、7.78 THz、8.27 THz、8.58 THz處，其對應吸收率為99.9%、99.8%、98.7%、99.8%、98.7%，且在6.66～8.66 THz頻率范圍內吸收率大于97%。對于TM極化波，其結果與TE極化波相差很小，這是由于吸波器具有對稱性結構，同時也說明其具有極化不敏感性。

根據等效電路理論，吸波器結構單元可近似等效為均勻介質，其歸一化阻抗r可近似等于

由于所設計的吸波器S21=0，于是可化簡為

由S參數可以計算出其歸一化輸入阻抗，圖3給出了電磁波在垂直入射時TE極化波歸一化輸入阻抗的實部和虛部。通過圖3可以發現，在6.66～8.66 THz頻段范圍內（圖3陰影范圍）歸一化輸入阻抗r實部很接近1，且虛部接近零，表明吸波器在該頻段范圍內與自由空間阻抗匹配良好，反射率趨于零，從而實現寬頻吸收。

為了分析梳狀吸波器每個齒（齒對）對吸波器吸波特性的影響，分別對每一個齒（齒對）與脊構成的結構體進行仿真。考慮到分析方便，定義中間的齒為c1、c1兩側的對稱性齒對依次為c2、c3，見圖1b。圖4為各齒（齒對）單獨或組合時仿真結果，由圖4a可知僅有c1時，在6～10 THz頻率范圍內吸收曲線上出現兩個吸收峰，分別位于7.88 THz和8.68 THz處，其吸收率為94.8%和77%；僅有齒對c2單獨仿真時，吸收曲線上出現了3個不同吸收峰，分別位于6.7 THz、7.97 THz和8.55 THz處，其吸收率為87.1%、97.9%和81.5%；而c3單獨仿真時，僅在8.64 THz處出現一個吸收峰，其吸收率為97%。同時發現，當c1單獨仿真時，兩個吸收峰之間，形成一個吸收率大于65%的較寬吸收頻帶，而c2單獨仿真時，3個吸收峰之間形成了一個更寬的吸收頻帶，吸收率大于70%的頻帶超過2 THz，表明c2齒對吸波器的寬頻吸收具有重要的影響。盡管如此，其寬頻吸收率仍然較低，當c1和c2同時進行仿真時，吸收曲線上出現了4個吸收峰，分別位于6.77 THz、7.24 THz、7.95 THz和8.49 THz處，相應吸收率為99%、94.8%、99.3%和77.3%。通過比較發現，在c1的影響下，c2單獨仿真時出現的3個吸收峰發生了微小偏移，同時在7.24 THz處出現了一個新的吸收峰，4個吸收峰之間，同樣形成一個較寬的吸收帶。值得注意的是，在低頻段的3個吸收峰之間，形成一個吸收率大于90%的吸收帶，頻率從6.6～8.1 THz，帶寬達到1.5 THz，見圖4(b)。當加入第3個齒對c3時，受到c3的影響，6.6～8.1 THz之間的吸收率進一步提高，而7.95～8.49 THz之間吸收率提高更明顯，同時新增一個吸收峰，使得6～10 THz之間出現5個相鄰較近的強吸收峰，從而實現寬頻吸收。

角度敏感性是吸波器的一個重要指標，反映了吸波器對斜入射波的吸收性能，圖5給出了吸波器從6～10 THz頻率范圍內TE極化波和TM極化波在不同入射角時吸收情況，虛線處表示各吸收峰所在位置。從圖5(a)可知，對于TE波，隨著入射角度增大，7.78 THz處的吸收峰逐漸消失；6.8 THz和7.35 THz處吸收峰逐漸向低頻方向偏移，且6.8 THz處的吸收峰偏移明顯比7.35THz處更快，致使兩個吸收峰頻率間隔逐步增大，從而導致了兩個吸收峰之間的吸收率明顯下降；8.27 THz和8.58 THz的吸收峰逐漸向高頻方向移動，同樣造成了吸收峰之間頻率間隔增大，導致吸收峰之間的吸收率下降。當入射角小于20°時，吸收率下降相對比較緩慢，其吸收率保持在90%以上；隨著入射角進一步增大，關注頻率范圍內吸收谷迅速降。對于TM波，隨著入射角度增大，8.58 THz處的吸收峰消失，吸收率總體變化不大，僅在高頻端吸收頻帶稍有變窄。隨著入射角增大到40°，6.66～8.5 THz頻率范圍內吸收率仍大于90%，帶寬達 1.84 THz，可見TM入射波在40 °斜入射仍有很高的吸收率。

3 結語

太赫茲吸波器在通訊、傳感器及成像方法具有潛在的應用價值，本文基于梳狀結構圖案，設計一種寬頻太赫茲吸波器，該吸波器在6～10 THz之間出現5個相鄰較近的強吸收峰，多個吸收峰形成寬頻吸收。此外該吸波器具有極化不敏感性及較寬入射角的良好吸收特性，為寬頻吸波器設計提供參考。