CN110137690A - 一种太赫兹频段宽带超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹频段宽带超材料吸波器，属于电磁波和新型人工电磁材料技术领域。本发明自下至上包括金属衬底、介质层和金属谐振层，金属谐振层上有四对平行沟道，通过引入电容性耦合沟道，形成容性耦合原理，产生在频谱上邻近的多个吸收峰，从而有效提升工作带宽。本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器在0.54～1.365THz范围内，对入射电磁波能量的吸收率均高于90％，相对带宽为86.6％。同时，本发明所述吸波器具有极化角度不敏感和宽角度吸收的特性。本发明可用于太赫兹频段以及其他频段宽带超材料吸波器及其***中。
Description
技术领域
本发明属于电磁波和新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种极化不敏感的太赫兹频段宽带超材料吸波器。
背景技术
随着现代科学技术的高速发展，将电磁波作为信息的载体已被广泛用于卫星通信、地面移动通信、雷达探测、无线电广播等各种场景。对电磁波辐射带来的不利甚至有害影响也日益受到关注，通过对不需要的电磁波进行屏蔽、吸收的方式来治理电磁污染变得尤为重要。
超材料是指一种由亚波长微结构单元按照一定规律组合后构成的人工材料。由于微结构单元具有亚波长特性，其结构尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超材料通常具有典型的三层结构(表面金属谐振层，中间介质层，背部金属层)，在此基础上具有很高的可拓展性。超材料的特点在于通过有目的地设置单元器件的谐振结构及其结构参数和分布，可以在特定频率处获得可调控乃至天然材料所不具备的电磁特性，例如，负等效介电常数、负等效磁导率等。
吸波材料是指能吸收或者大幅度减弱入射到它表面的电磁波能量的一类材料。吸波技术主要利用吸波材料各种不同损耗机制将入射电磁波的能量转化为热能或者是其他能量从而达到吸收电磁波的目的。超材料以其奇异的电磁特性，被广泛用作吸波材料。由于超材料吸波器主要依靠表面谐振单元的强谐振特性，一般为窄带结构。因此为拓展超材料吸波器的应用范围，宽带超材料吸波器具有重要意义。
文献“Switchable Broadband Terahertz Absorber/Reflector Enabled byHybrid Graphene-gold Metasurfce”公开的加载石墨烯层的超材料吸波器通过外加电压控制石墨烯层的材料特性，改变吸波器的吸收状态。在最优情况下，该吸波器在0.53～1.05THz范围内吸收率高于90％，相对带宽为65.8％。
文献“Broadband Tunable Absorber for Terahertz Waves Based onIsotropic Silicon Metasurfaces”公开的基于掺杂硅的超材料吸波器通过外加电压来调控表面掺杂硅的电导率。当掺杂硅层的电导率为2500S/m时，该吸波器达到最优的吸收带宽，在0.497～1.045THz范围吸收率高于90％，相对带宽为71.1％。
申请号为201310443091.1的中国发明专利申请公开了一种太赫兹波段宽带超材料吸收器，包括金属反射层、介质层和金属图案层，其中金属图案层单元器件为多个同心金属环。不同尺寸同心金属环的谐振性能相互叠加，形成宽带吸收效果。在效果最优的实施例中，通过叠加8个尺寸不同的同心金属环，吸收率在50％的频率范围为2.38～6.08THz，相对带宽为87.47％。但是其整体吸收率较低，且在目标频段内波动较大。
申请号为201410560036.5的中国发明专利申请公开了一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，包括金属反射层、介质层和金属图案层。在2.8～4.2THz频段内，该吸收器的吸收率在90％以上，相对带宽为40％。
申请号为201610258722.6的中国发明专利申请公开了一种基于多谐振吸收的宽频带太赫兹超材料吸收器。该吸收器包括上层图形化功能材料层、中间介质层和下层金属反射层。该超材料吸波器吸收率大于90％的频率范围为1.71～3.81THz，相对带宽为76.08％。
上述宽带超材料吸波器的设计方案集中于两个方面，一是通过添加石墨烯层或采用掺杂的半导体层代替表面金属层，在达到最优效果的同时，需要外加调控电压。这在一定程度上增加了研制、实现及应用中的复杂度；二是在不增加层数的情况下，设计多谐振结构实现宽带效果，如采用不同尺寸的共形结构叠加，形成多谐振且邻近的吸收频段相叠加实现宽带效果，但是不同尺寸结构间的相互影响会降低吸收效果且吸收率波动较大，同时仅靠单一的多谐振结构所能拓展的带宽有限。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种太赫兹频段宽带超材料吸波器，在宽频带范围内保持超过90％的吸收率，在不增加设计复杂度的同时，能有效拓展工作带宽。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种太赫兹频段宽带超材料吸波器，包括金属衬底1、介质层2和金属谐振层3；金属衬底1位于介质层2的下表面，金属谐振层3位于介质层2的上表面；
金属谐振层3包括工字交叉型结构301和四个方形贴片302、303、304、305；工字交叉型结构301包括两个工字型结构，两个工字型结构位于同一平面且在中心位置垂直交叉放置，工字型结构的边缘抵达介质层2的边缘；四个方形贴片302、303、304、305以工字交叉型结构301的中心位置为中心沿顺时针方向呈中心对称排布；四个方形贴片302、303、304、305和工字形交叉结构301之间留有缝隙形成四对平行沟道。
金属衬底1不限于固定类型金属，目的在于将入射的电磁波全反射。
介质层2的材料为硬质泡沫，介电常数为1.05(与空气近似)。
介质层2不限于单层结构，可以在介质层的上表面、下表面或中间位置增加支撑层以方便实现。
金属谐振层3的材料为氮化钽，电导率为7400S/m，目的在于结合上述金属衬底1、介质层2形成宽带谐振。
本发明所述吸波器的宽带谐振来自于工字交叉型结构和方形贴片谐振效果的容性耦合叠加，容性耦合来自于工字交叉型结构301与方形贴片302、303、304、305在中心位置形成的沟道。所述容性耦合原理拓展带宽的方法，即通过在不同表面谐振结构间引入电容性耦合沟道，在电容性耦合沟道的作用下，既保持不同表面谐振结构单独作用时所对应的吸波频段，又能在不同表面谐振结构相互耦合时产生新的吸波频段。
实际工程中使用的吸波器是以上述太赫兹频段宽带超材料吸波器为单元，呈M*N二维紧密周期排布，其中M和N都是数值较大的正整数。
将本发明所述吸波器进行等比例缩放，通过对结构参数的迭代优化，可将吸波器拓展到其他不同的太赫兹频段上。
本发明所述宽带超材料吸波器工作于太赫兹频段，结构在微米尺度进行建模与模拟。入射端口和出射端口设置为Fluent端口激励模式，同时采用主从边界条件在全波电磁仿真器HFSS(High Frequency Structure Simulator)中建模与模拟。每部分的具体电磁参数采用控制变量法和巡回算法，对目标参数进行迭代优化，最终得到最优参数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器在0.54～1.365THz范围内，对电磁波的吸收率均高于90％；
(2)本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器具有对入射电磁波极化不敏感的特性，对不同极化角度入射的TE模式和TM模式电磁波，所述吸波器均保持高吸收率；
(3)本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器具有宽入射角度吸收特性；对入射角度小于45°的电磁波，所述吸波器在上述0.54～1.365THz范围内的吸收效率均高于70％；甚至在入射角为70°时，所述吸波器在谐振吸收峰附近仍然能工作；
(4)本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器结构简单、紧凑。
附图说明
图1为本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器的整体结构示意图；
图2为本发明所述太赫兹宽带超材料吸波器的金属谐振层结构示意图；
图3为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在TE、TM模式电磁波正入射时的吸收率模拟结果曲线图；
图4为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在TE模式电磁波以不同极化方向正入射时的吸收率模拟结果曲线图；
图5为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在TM模式电磁波以不同极化方向正入射时的吸收率模拟结果曲线图；
图6为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在0°极化TE模式电磁波以不同角度入射时的吸收率模拟结果曲线图；
图7为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在0°极化TM模式电磁波以不同角度入射时的吸收率模拟结果曲线图；
图8为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在频率为0.635THz的电磁波正入射时的表面电流分布图；
图9为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在频率为1.084THz的电磁波正入射时的表面电流分布图；
图10为实施例所述太赫兹宽带超材料吸波器在频率为1.333THz的电磁波正入射时的表面电流分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种太赫兹频段宽带超材料吸波器，其整体结构示意图如图1所示，包括金属衬底1、介质层2和金属谐振层3；金属衬底1位于介质层2的下表面，金属谐振层3位于介质层2的上表面；
金属谐振层3的结构示意图如图2所示，包括工字交叉型结构301和四个方形贴片302、303、304、305；工字交叉型结构301包括两个工字型结构，两个工字型结构位于同一平面且在中心位置垂直交叉放置，工字型结构的边缘抵达介质层2的边缘；四个方形贴片302、303、304、305以工字交叉型结构301的中心位置为中心沿顺时针方向呈中心对称排布；四个方形贴片302、303、304、305和工字形交叉结构301之间留有缝隙形成四对平行沟道。
所述的金属衬底1选用氮化钽电导率为7400S/m，厚度t为6～12μm，本实施例取t＝μm 8，目的在于将入射的电磁波全反射。所述的表层周期排列的金属谐振层3选用氮化钽材料，电导率为7400S/m，目的在于结合上述金属衬底1、介质层2，形成宽带谐振。工字交叉型结构参数如图2所示，具体尺寸为：a＝250μm,b＝160μm，w1＝120μm,w2＝9μm；方形贴片结构参数如图2所示，具体尺寸为：c＝120μm,d＝28μm。
图3是TE模式和TM模式电磁波正入射时，所述太赫兹宽带吸波器吸收率曲线图，可以看出三个吸收峰分别位于0.635THz、1.084THz、1.333THz处，吸收率高于90％的频带范围为0.54～1.365THz，相对带宽为86.6％；
图4、图5分别为不同极化角度的TE模式和TM模式电磁波正入射时，所述太赫兹宽带超材料吸波器的吸收率曲线图。可以看出，对于TE和TM模式下，所述宽带吸波器对于不同极化角方向的入射电磁波均在宽带范围内保持高于90％的吸收率。因此，所述宽带吸波器具有对入射电磁波极化角度不敏感的特性；
图6、图7为电磁波以不同角度入射时，所述太赫兹宽带超材料吸波器的吸收率曲线图。可以看出，随着入射角度的增大，所述宽带吸波器在目标频带内对入射电磁波的吸收率呈下降趋势。在入射角度小于45°时，所述宽带吸波器仍然具有超过70％的吸收率，并且在入射角为70°时，所述吸波器在谐振吸收峰附近仍然能工作。
本发明所述的容性耦合原理的带宽拓展机理可通过吸收峰对应频率处的表面电流分布来进一步解释：
图8、图9、图10分别为频率是0.635THz、1.084THz和1.333THz的电磁波正入射时，所述实施例金属谐振层上的表面电流分布情况。由图8可知，贴片上的电流始终保持与工字交叉型结构中心臂上的电流方向相反，且表面电流主要集中在中心臂位置。可以看出，第一个吸收峰主要来自于工字交叉型结构。如图9所示，随着入射电磁波的频率增加到1.084THz，两组结构在沟道位置产生强烈耦合，沟道两边形成的反向电流对在一定程度上进一步与垂直臂上的电流相互抵消，使得电流主要集中于工字交叉型结构的三个横向臂，而这三个横向臂对应的谐振频率形成第二个吸收峰。如图10所示，当频率升至1.333THz时，两组谐振结构间的沟道导通，电流主要集中于贴片位置，而贴片的谐振频率对应于第三个吸收峰。
由上述分析可知，两组结构之间的缝隙沟道产生的容性耦合机制在所述吸波器带宽拓展方面扮演着重要作用。在0.635THz处，该容性沟道未导通，隔离两结构之间的互相影响，从而保留来自于工字交叉型结构的第一个吸收峰。在1.084THz处，该容性耦合沟道产生强烈的耦合，从而引入新的吸收机理。在1.333THz处，容性沟道导通，表面电流主要集中于贴片结构上，从而形成来自贴片结构的第三个吸收峰。这三个吸收峰在频谱上邻近，从而有效地拓展了所述吸波器的工作带宽。
综上所述，本发明所述的太赫兹宽带超材料吸波器在实现宽带吸收的同时，对TE和TM模式的电磁波都有很好的吸收，且具有极化方向不敏感的特性；在入射角小于45°时，所述吸波器在目标频率范围内仍然保持超过70％的吸收率。本方案通过容性耦合原理在有效拓展吸波带宽的同时，对太赫兹宽带超材料吸波器的设计具有重要的指导意义。
以上对本发明的基本原理、主要特征和优点的阐述，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制。上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明思路范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及等效物界定。
Claims (7)
1.一种太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，包括金属衬底(1)、介质层(2)和金属谐振层(3)；金属衬底(1)位于介质层(2)的下表面，金属谐振层(3)位于介质层(2)的上表面；
金属谐振层(3)包括工字交叉型结构(301)和四个方形贴片(302、303、304、305)；工字交叉型结构(301)包括两个工字型结构，两个工字型结构位于同一平面且在中心位置垂直交叉放置，工字型结构的边缘抵达介质层(2)的边缘；四个方形贴片(302、303、304、305)以工字交叉型结构(301)的中心位置为中心沿顺时针方向呈中心对称排布；四个方形贴片(302、303、304、305)和工字形交叉结构(301)之间留有缝隙形成四对平行沟道。
2.根据权利要求1所述的太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，金属衬底(1)的材料为氮化钽，电导率为7400S/m，厚度t为6～12μm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，介质层(2)的材料为硬质泡沫，介电常数为1.05。
4.根据权利要求1所述的太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，介质层(2)为多层结构，在介质层的上表面、下表面或者中间位置增加有支撑层。
5.根据权利要求1所述的太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，金属谐振层(3)的材料为氮化钽，电导率为7400S/m。
6.根据权利要求1所述的太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，通过将权利要求1所述吸波器进行等比例缩放，能够改变其吸波频段。
7.一种太赫兹频段宽带超材料吸波器，其特征在于，以权利要求1所述太赫兹频段宽带超材料吸波器为单元，呈M*N二维周期排布，其中M和N都是正整数。
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