CN107482323B - 一种太赫兹波段多层超材料宽带吸波体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹波段多层超材料宽带吸波体。该超材料吸波体由单层宽带吸波体和岛形结构叠加组成。其中单层吸波体由金属图案‑电介质‑金属底板的三明治结构组成。金属图案是由四个相同尺寸大小的开口谐振环排列构成，开口谐振环间唯一区别便是底部高度不同。此单层吸波体适当优化参数后可具有近乎完美的吸收率，而且拥有较大的半高宽。继续在单层吸波体单元的基础上叠加岛形结构，并且让每个岛形结构都覆盖在开口谐振环的正上方。岛形结构对原来的吸收峰有较小的影响，并且可以在高频带附近增加一个新的吸收峰来扩大带宽。这个增加了岛形结构的吸波体拥有极大的相对带宽，远高于同期水平，具有很广泛的应用前景。

Description

一种太赫兹波段多层超材料宽带吸波体

技术领域

本发明涉及超材料宽带吸波体，属于人工电磁材料领域。

背景技术

超材料从发展之初便受到极大关注，因为它具有许多在自然界中难以获得的奇异特性，例如负折射率、负电导率和负磁导率等。并且，由于其具有易集成、尺寸小、厚度薄等特点而发展迅猛。随后，相关器件便开始涌现出来。

2008年，Landy等人第一次演示超材料吸波体，该吸波体可以在单个频点实现对电磁波的完美吸收，而且由于具有超材料的许多优势，继而引起了众多科学工作者的兴趣。为了进一步拓宽应用，发展多频带或宽频带吸波体已经成为当今趋势。对于宽带吸波体，如何实现超宽的吸收带并且保证较高的吸收率是一个亟待解决的难点。本发明提出的多层超材料宽带吸波体在1.23 - 4.74 Thz范围内可以吸收90%以上的电磁波能量，并且在60°斜入射角下还能够保持高效的吸收能力，因此具有极高的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决超材料吸波体频带窄、吸收率低等问题，提供一种可在宽入射角下工作的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，并且通过调节尺寸参数可以在一定程度上改变吸收带宽。

本发明的技术方案如下：

一种太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，所述吸波体是由吸波单元周期性延拓形成。所述吸波单元的外轮廓为正方形，其中吸波单元均包括底层金属板、第一电介质层和四个开口谐振环。

第一电介质层的上下表面分别与四个开口谐振环下表面和底层金属板的的上表面相贴，形成一个单层电介质的三明治结构的宽带吸波体。

四个开口谐振环在电介质层上阵列分布，大小相同，开口方向必须相同，并且从第一个开口谐振环到第四个开口谐振环按顺时针方向依次增加底部高度，其它尺寸参数完全一样。

采用以上结构的吸波体，在1.23 - 4.74 Thz范围内可以吸收90%以上的电磁波能量，并且显现了3个不同的吸收峰。3个吸收峰主要来源于开口谐振环-电介质层-金属底板的三明治结构，而且主要来源于欧姆损耗。由于单个开口谐振环构成的吸波体可以在某个频率形成一个吸收峰，改变底部高度可以影响吸收频率，当增加为4个开口谐振环后，多个吸收频率较近的吸收峰重叠共同作用形成三个较近的吸收峰，然后便展现了宽带特性。

进一步，本发明在四个开口谐振环的正上方分别覆盖一个岛形结构；所述岛形结构包括第二电介质层、第一金属块、第三电介质层和第二金属块；第二电介质层垂直覆盖在开口谐振环正上方，而且长和宽与其保持一致；在第二电介质层正上方中心依次堆叠第一金属块、电介质层和第二金属块，其中金属块和金属块完全相同，并且和电介质层长宽一致。第二电介质层和第三电介质层厚度相近。

本发明再通过叠加岛形结构在开口谐振环上方，激发一阶磁响应，得到一个新的吸收峰，即第4个吸收峰，它来源于电介质层的介质损耗。由此，欧姆损耗和介质损耗共同作用把吸收的电磁能量转换为热能，进而有效增加带宽，实现宽带吸波的效果。该岛形结构产生的吸收峰主要表现在第四个峰，而且对前三个吸收峰造成较小的影响，因而整体上仍然可以保持较高的吸收率，并且可较好适用于其它相似的单层吸波体结构来拓宽带宽。

采用上述技术方案的有益效果在于：

1、本发明应用四个相同长宽但不同底部高度的开口谐振环可以实现高的吸收率。由于只改变谐振器间的单个参数而不改变整体大小，拓宽了设计思路。

2、本发明采用谐振器叠加岛形结构可以激发一阶磁响应，得到一个新的吸收峰，进而有效增加带宽。岛形结构产生的吸收峰主要表现在第四个峰，而且对前三个吸收峰造成较小的影响，因而整体上仍然可以保持较高的吸收率。并且可较好适用于其它相似的单层吸波体结构来拓宽带宽。

3、本发明构成的吸波体在1.23 - 4.74 Thz范围内可以吸收90%以上的电磁波能量，半高宽为139.7%，远高于其它结构类型吸波体，并且显现了4个不同的吸收峰。前三个吸收峰主要来源于开口谐振环上的欧姆损耗，第4个吸收峰来源于岛形结构上的介质损耗，两者结合产生了极大的吸收率和带宽。

4、本发明形成的多层超材料宽带吸波体在极宽的入射角下也展现了良好的吸波性能。

5、本发明可以视为4个次单元格，在一定程度上简化了设计和制造难度。

附图说明

图1是本发明提出太赫兹波段多层超材料宽带吸波体的结构示意图；

图2（a）为本发明提出太赫兹波段多层超材料宽带吸波体单元结构示意图；

图2（b）为本发明提出的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体单元结构的侧视图；

图3（a）为本发明提出的作为多层超材料宽带吸波体基础的单层电介质吸波体，也就是说去除了岛形结构（4）的示意图；

图3（b）为本发明提出的去除岛形结构（4）后的单层电介质吸波体的单元结构示意图；

图4（a）为本发明提出的多层超材料宽带吸波体的吸收频谱图,；

图4（b）为只去除岛形结构（4）、只去除开口谐振环（3）以及完整结构的组合吸收频谱图；

图5为本发明提出的多层超材料宽带吸波体在斜入射角下吸收频谱图；

附图标记为：

1——金属底板；2——第一电介质层；3——开口谐振环；4——岛形结构；

3-1——第一开口谐振环、3-2——第二开口谐振环、3-3——第三开口谐振环、3-4——第四开口谐振环，而且第一开口谐振环到第四底部高度递增；

4-4——第二电介质层、4-3——第一金属块、4-2——第三电介质层、4-1——第二金属块。

具体实施方式

为了更好阐述设计过程和目的，下面将结合附图对本发明作进一步说明。

为了实现该吸收性能，本发明由多个吸收单元组成，如图1所示，每个吸波体单元都是方形，在x，y方向上周期延拓，形成完整的太赫兹宽带吸波体。周期P = 26 ~ 46 um。

如图2（a）所示，每个单元的构造完全一样并且从下到上依次为：底层金属板1、电介质层2、四个开口谐振环3、4个岛形结构4。

如图2（b）所示，位于最底层的金属底板1可以是铬、金、银、铜等金属中的一种，但是无论哪一种，厚度都必须远大于电磁波的趋肤深度。金属底板厚度在0.2 ~ 2 um 之间。

位于底层金属板1上面的是第一电介质层2，厚度在8 ~ 18um 之间。

四个开口谐振环3贴附在电介质2正上方，如图3(a)所示。图3（b）显示了单元格结构。每个单元都可以看作4个次单元，并且在每个次单元中心都有一个开口谐振环3。第一开口谐振环3-1顺时针到第四开口谐振环3-2的底部高度依次递增，递增步长在1~3 um之间。4个开口谐振环只有底部高度不同，其它参数设置完全相同，开口方向一致。4个开口谐振环3厚度均在0.05 ~ 1 um 之间，开口谐振环3长L1=12 ~18 um，宽L2= 8 ~ 16um, 开口宽度g= 0.5 ~ 4 um，侧臂宽度w= 0.5 ~2 um, 并且第一开口谐振环3-1底部高度h1= 0.2 ~2um。

以上形成单层吸波体，此单层吸波体适当优化参数后可具有近乎完美的吸收率，而且拥有较大的半高宽。

在图3（a）所示基础上再堆叠四个岛形结构4，四个岛形结构4完全一样。岛形结构对原来的吸收峰有较小的影响，并且可以在高频带附近增加一个新的吸收峰来扩大带宽。这个增加了岛形结构的吸波体拥有极大的相对带宽，远高于同期水平，具有很广泛的应用前景。

每个岛形结构4覆盖在开口谐振环3正上方，得到的结构图如图2（a）和图2（b）所示，也就是说岛形结构4也位于次单元中心位置，和开口谐振环3只是上层下层关系，当然4个岛形结构4可以选择偏移，但优选为中心位置。

岛形结构4从下到上依次是第二电介质层4-4、第一金属块4-3、第三电介质层4-2、第二金属块4-1。第二、第三电介质层4-4和4-2厚度在 6~12um之间，其中第二电介质层4-4长宽与开口谐振环3一致。其上的第一金属块4-3、第三电介质层4-2和第二金属块4-1均为长方形，长宽相同。并且，它们的长s1小于(L1-2* w)的值，(L1-2* w)为开口谐振环内圈矩形的长，宽s2=3~7um。

第一电介质层2、第二、第三电介质层4-4和4-2均是有耗介质材料。第二、第三电介质层4-4和4-2是相同浓度的聚酰亚胺，介电常数是ε = 3(1 + i0.06)，并且与第一电介质层2介电常数接近。

其中第二电介质层4-4作用是分隔开口谐振环3与岛形结构4上的金属板，以尽量减小两者之间的耦合，避免破坏开口谐振环3的谐振机制，保护了图3（a）和图3（b）所示三明治结构的吸波能力。

本实施例所述岛形结构4中，第一金属块4-3、第三电介质层4-2和第二金属块4-1可以视为一个三明治结构，在第三电介质层4-2中产生强烈的一阶磁谐振，由此产生新的吸收峰，与原有的图3（a）和图3（b）所示结构产生的吸收峰一起形成了更大的带宽，并且，把吸收的电磁波转化为热能消耗掉。

本实施例所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体的吸收率可以用公式计算：A＝ 1 - R - T ＝ 1 - |S₁₁|² - |S₂₁|²，式中R为反射率，T为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内T与R尽可能的减小。因为底层金属板的厚度远大于趋肤深度，所以T=0，只要尽可能合理设计谐振结构，便可以使归一化阻抗近似为1，与外界自由空间匹配，反射率近乎为0，最后产生了近乎完美的吸收性能。

本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图4（a）所示，该仿真结果由有限积分法计算得到。从图中可以看出，在1.23 Thz到 4.74 Thz之间吸收率大于90%，并且有4个明显的吸收峰。这四个吸收峰在1.91 Thz, 2.54 Thz, 3.38 Thz, 4.45 Thz的吸收率分别达到98.92%, 98.11%, 99.97%, 99.32%。然后分别去除岛形结构4和开口谐振环3可以看到对比的吸收图谱，如图4（b）。可以发现，前三个峰主要和开口谐振环（3）有关，第4个峰主要由岛形结构4决定。

本实施例在斜入射角下吸收如图5所示。所述斜入射角指的是入射波波矢偏离吸波体面法线的角度，从图中可以看出，入射角在0~60°范围内，吸波性能表现良好，即可应用在宽角入射情况下，更加适应于实际用途。

以上仅为本申请的较好实施例子，本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，所述吸波体是由吸波单元在x，y方向上周期性延拓形成；其特征在于：所述吸波单元的外轮廓为正方形，吸波单元均包括底层金属板（1）、第一电介质层（2）和四个开口谐振环（3）；

第一电介质层（2）的上下表面分别与四个开口谐振环（3）下表面和底层金属板的（1）的上表面相贴，形成一个单层电介质的三明治结构的宽带吸波体；

四个开口谐振环（3）在电介质层（2）上阵列分布，大小相同，开口方向相同，并且按顺时针方向，从第一个开口谐振环（3-1）到第四个开口谐振环（3-4）依次增加底部高度，其它尺寸参数完全一样；

在四个开口谐振环（3）的正上方分别覆盖一个岛形结构（4）；

所述岛形结构（4）包括第二电介质层（4-4）、第一金属块（4-3）、第三电介质层（4-2）和第二金属块（4-1）；第二电介质层（4-4）垂直覆盖在开口谐振环（3）正上方，而且长和宽与其保持一致；在第二电介质层（4-4）正上方依次堆叠第一金属块（4-3）、第三电介质层（4-2）和第二金属块（4-1），其中第一金属块（4-3）和第二金属块（4-1）完全相同，并且和第三电介质层（4-2）形状一致；第二电介质层（4-4）和第三电介质层（4-2）厚度相近。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于，四个所述岛形结构的第一金属块（4-3）、第三电介质层（4-2）和第二金属块（4-1）形成的结构在第二电介质层（4-4）上统一选择中心位置或偏移位置。

3.根据权利要求2所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：岛形结构上的第一金属块（4-3）、第三电介质层（4-2）和第二金属块（4-1）的形状是长方形、圆形和正方形中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：底层金属板（1）、四个开口谐振环（3）、第一、第二金属块均由金属制成，选择铬、金、银、铜等金属中的一种，优选为铬，电导率为σ=2.2 × 10⁵ S/m。

5.根据权利要求1或2所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：底层金属板（1）、四个开口谐振环（3）、第一、第二金属块厚度远大于趋肤深度，厚度在0.2 ~ 2um之间。

6.根据权利要求1或2所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：所述吸波单元的周期p为26 ~ 46 um。

7.根据权利要求1或2所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：电介质层厚度均在6 ~ 18 um，由聚合物或氧化物制成。

8.根据权利要求7所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：第三电介质层（4-2）和第二电介质层（4-4）材料为聚酰亚胺，介电常数是ε = 3(1 + i0.06)；第一电介质层（2）同样是聚酰亚胺，折射率优选为1.68 +i0.06。

9.根据权利要求1或2所述的太赫兹波段多层超材料宽带吸波体，其特征在于：四个开口谐振环（3）厚度均在0.05 ~ 1 um 之间，开口谐振环（3）长L1=12 ~18 um，宽L2= 8 ~16um, 开口宽度g = 0.5 ~ 4 um，侧臂宽度w= 0.5 ~2 um, 并且第一开口谐振环（3-1）的底部高度h1= 0.2 ~ 2um，第二开口谐振环（3-2）到第四开口谐振环（3-4）底部高度依次递增1~3 um。

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