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《物理學報》2014年第十二期

1結構設計與機理

本文的設計思路是:首先設計五個吸收峰相互靠近的完美單峰吸波體,然后由這五個單峰吸波體按照相鄰不同規律排列成5×5的陣列,各單峰吸波體產生的諧振吸收峰相互疊加,從而產生寬帶吸收.

1.1單峰吸波體設計本文設計的吸波體是金屬-介質-金屬三層結構,兩層金屬都采用金(ed),其電導率為σ=4.09×107S/m[?],中間介質層為損耗聚合物(Polyimide)[?],其介電常數的實部εr=3.5,損耗角正切tanδ=0.057.器件性能仿真是在基于時域有限積分法的電磁波仿真軟件CSTMicrowaveStudio2011中進行,采用頻域求解器,x和y方向為周期邊界條件,z方向為開放邊界條件.單峰吸波體結構如圖1所示,它的底面為金屬薄膜,表面金屬塊由一個正方形與位于四邊的四個相同半圓組合而成.兩層金屬厚度均為0.2µm,中間介質厚度為1.2µm,x和y方向的周期大小均為20µm.當太赫茲波垂直表面入射時,吸波體的吸收率A由公式A=1−|S11|2−|S21|2計算,其中,S11和S21分別表示吸波體的反射系數和傳輸系數,可由仿真計算得到.由于太赫茲在金屬中的趨膚深度約為70nm,小于金屬層厚度,故透射系數S21=0,吸收率A=1−|S11|2,要想獲得大的吸收率A,必須降低反射率.根據阻抗匹配理論,通過改變吸波體結構參數,可調節其等效阻抗直至與自由空間阻抗(約為377Ω)相匹配,此時反射率最小,吸收率最大.圖1中D表示金屬塊的總長度,w表示金屬塊中央正方形的邊長,且有D=2w.本設計中采用五種不同尺寸的金屬塊,經優化后,尺寸分別是D1=19µm,D2=17.86µm,D3=16.72µm,D4=15.58µm,D5=15.11µm的單峰吸波吸收曲線如圖2所示.由圖2可知,中間介質層厚度為1.2µm時,五種尺寸金屬塊構成的吸波體吸收率幾乎都達到了100%,D1,D2,D3,D4和D5金屬塊對應的諧振吸收頻率分別為4.69THz,5.06THz,5.42THz,5.84THz和6.04THz.

1.2單峰吸波體吸波機理為了研究吸波體的吸波機理,我們對單峰吸波表面電流和電場z分量進行了計算與分析.以金屬塊尺寸為D3的單峰吸波體為例,在5.42THz處設置相應的場監視器,在正入射條件下計算得到的表面電流和電場z分量分布如圖3所示.由圖3(a)和(b)可知,在正入射情況下,表面金屬和金屬基底形成了反平行電流,這會導致很強的磁響應,從而在z方向上產生由入射磁場引起的磁諧振.由圖3(c)可知,異性電荷沿著y方向分別在表面金屬層的上半部分和下半部分積聚,同時,從圖3(d)可知金屬基底上對應部位的電荷剛好與之相反,這說明在y方向上存在由電場引起的電偶極子諧振[?].這種強烈的電磁諧振,使得電磁能量被消耗在吸波體中,最終產生接近100%的吸收率.圖3(a)和(b)所示的磁諧振可以用一個如圖4所示的等效LC振蕩電路來表示。式中,等效電感Le正比于Dt/w,等效電容Ce正比于wD/(2t),其中D和w分別是金屬塊的總長度和中央正方形的邊長,t為介質層厚度.由(??)式可知,諧振頻率與等效電感和等效電容乘積LeCe的平方根成反比,而LeCe正比于D2,則諧振頻率f應與金屬塊尺寸D成反比,這與圖2的仿真結果完全一致.

1.3寬帶吸波體設計本文提出的寬帶吸波體是根據多吸收峰疊加擴展帶寬的原理,由圖2所示的五個相鄰諧振吸收峰疊加形成寬帶吸收.其表面金屬層包含五種尺寸接近的金屬塊作為諧振器,它們的排列規律是:在每一個陣列周期中,五種尺寸接近的金屬塊按照相鄰不同的規則排列成一個5×5的方形陣列,即每一金屬塊與其相鄰四塊尺寸均不相同,這樣就可以實現將五個相鄰的諧振吸收峰疊加,并最大限度地擴展帶寬.按照這種規律設計而成的太赫茲寬帶吸波體結構如圖5所示.經優化后,寬帶吸波體在x和y方向上的周期大小均為100µm,相鄰金屬塊的中心間距d=20µm,各個金屬塊的尺寸D和圖2相同.為實現阻抗匹配,中間介質層厚度t此時為2.65µm,兩層金屬厚度仍保持0.2µm不變,所有材料參數保持和單峰吸波體的相同.該寬帶吸波體的仿真結果如圖6所示.由圖6可知,寬帶吸波體的吸收率最高可達到98.7%,吸收率80%以上對應的帶寬約為1.2THz,FWHM達到了1.6THz,吸收帶內相對平坦.吸收帶的中心頻率約為4.98THz,對應的中心波長為60.24µm,大約是吸波體總厚度3.05µm的20倍,說明該寬帶吸波體具有超薄的特點.

1.4寬帶吸收機理為了探討寬帶吸收的產生機理,我們對圖7(a)—(e)所示僅含單一尺寸金屬塊的吸波體進行了仿真,在其他尺寸和材料參數與上述寬帶吸波體完全相同的條件下,各吸波體的吸收曲線如圖7(f)所示.由圖7(f)可知,隨著吸波體表面金屬塊尺寸逐漸減小,諧振吸收峰逐漸藍移,對應的吸收率逐漸減小.諧振吸收峰的變化趨勢與圖2完全一致,而吸收率逐漸減小是由于表面金屬層的歐姆損耗變得越來越小.同圖2所示的吸收曲線相比較,圖7(f)中各吸收曲線均未達到100%的吸收,因為此時吸波體的阻抗與自由空間阻抗不完全匹配.將這五種不同尺寸的金屬塊按照2.3所述的相鄰不同規律排列在一個周期單元中,各吸收峰會互相疊加,并且由于強烈的耦合效應而相互加強,最終出現圖6所示的寬帶吸收效果.為進一步研究寬帶吸收機理,我們仿真了f=4.66THz,f=4.95THz,f=5.13THz,f=5.36THz和f=5.8THz五個諧振吸收頻率所對應的金屬基底能量損耗密度,結果如圖8所示.由圖8可知,能量損耗是由y方向上電場引起的電偶極子振蕩產生,每一個諧振吸收頻率對應的能量損耗密度主要由某一種尺寸的金屬塊貢獻,金屬塊尺寸與諧振單元金屬塊尺寸相差越遠,對應基底位置的能量損耗密度則越小,寬帶吸波體的能量損耗是這五種不同尺寸金屬塊共同貢獻的結果.

2不同參數對吸收性能的影響

2.1相鄰金屬塊中心間距d的影響由于相鄰金屬塊之間存在強烈的電磁耦合,因此可以分析吸波體受不同金屬塊中心間距d影響的規律.當其他參數不變,表層相鄰金屬塊中心間距分別為d=19µm,20µm,21µm和22µm時,仿真得到的寬帶吸波體吸收曲線如下圖9所示. 由圖9可知,隨著相鄰金屬塊中心間距d的增大,吸收帶中心頻率逐漸藍移,這主要是因為隨著中心間距d的增大,相鄰金屬塊間的電磁耦合減弱,導致各金屬塊的等效電感變小,最終使諧振頻率增大.另外,間距d=21µm時,帶內吸收率最大,因為此時吸波體與自由空間的阻抗匹配最好.綜合考慮吸收帶寬和吸收率的大小,我們選擇d=20µm為最終間距.

2.2介質材料損耗角正切的影響設介質層材料的復介電常數ε=εr+iεi,其中介電常數的實部εr=3.5,介質的損耗角正切tanδ=εi/εr,當損耗角正切分別為0.057,0.0057和0.00057時,對應的吸收曲線如圖10所示.由圖10可知,隨著損耗角正切的減小,吸收曲線下降且吸收帶寬變窄.這是因為入射太赫茲波能量的吸收主要歸因于介質損耗和兩層金屬的歐姆損耗,損耗角正切值減小則介質層的介電常數虛部減小,從而引起介質損耗減小,最終導致電磁能量吸收減小.

2.3介質層厚度的影響為了研究介質層厚度對吸收性能的影響,我們仿真獲得了介質層厚度分別為t=2.45µm,2.55µm,2.65µm,2.75µm和2.85µm時的吸收曲線,結果如圖11所示.由圖11可知,當介質層厚度逐漸增大時,吸波體的吸收帶寬和帶內吸收率變化很小,只是吸收帶中心頻率出現微小的紅移.這是因為電磁波在介質層中傳輸時其路徑相位為[?]厚度,λ為入射太赫茲波波長.由于垂直入射到均勻介質層的太赫茲波是平面波,故可認為φp為一定值.又由于入射角θ=0,介電常數實部εr=3.5,所以t/λ為定值,即介質層厚度t與入射波長λ成正比.又因為真空中的光速c=λf,故波長λ與諧振吸收頻率f成反比,即介質層厚度t與吸收頻率f成反比.因此當介質層厚度增加時,吸收帶中心頻率紅移.圖11底部插圖表示f=5.13THz時,寬帶吸波體中金屬塊D3所在的吸波單元在y=0平面內的能量損耗密度分布.由圖可知,能量主要損耗在金屬塊D3下表面兩端,介質中的能量損耗很少,這說明寬帶吸波體的損耗主要是由金屬層歐姆損耗引起,故介質層厚度的改變對吸收率影響很小.

3偏振敏感性和角度敏感性

3.1偏振敏感性當太赫茲波的入射角θ=0◦,位相角ϕ=0◦,15◦,30◦和45◦時,仿真得到的吸收曲線如圖12所示.由圖12可知,當位相角變化時,吸收曲線幾乎不變,這說明吸波體對入射太赫茲波的偏振方向不敏感,這主要歸因于器件結構的對稱性,這一特性對太赫茲波探測具有十分重要的意義.

3.2角度敏感性當入射太赫茲波的位相角ϕ=0◦,入射角θ=0◦,15◦,30◦,45◦和60◦時,對應的吸收曲線如圖13所示。由圖13可知,隨著入射角θ的增大,吸收率逐漸減小.這是因為,隨著入射角的增大,入射磁場的x分量逐漸減小,則在表面金屬塊之間的磁流密度越來越小,于是被吸收的磁能越來越少,從而電磁吸收也會越來越少[?].盡管吸收率隨入射角增大而減小,但入射角增加到60◦時,吸收率75%以上對應的帶寬仍達到0.9THz,這仍然能夠滿足許多實際應用的要求.

4結論

本文基于多諧振吸收峰疊加擴展帶寬的思想,提出了一種由五種尺寸接近的金屬塊按照相鄰不同規律排列構成的寬帶太赫茲吸波體.該寬帶吸波體吸收率80%以上對應的帶寬約為1.2THz,FWHM為1.6THz.太赫茲波的吸收由y方向上電場引起的電偶極子振蕩和z方向上磁場引起的磁極化產生,能量損耗以金屬層的歐姆損耗為主.在此基礎上建立起吸波體的等效LC電路模型,并用來解釋吸波體結構參數對中心頻率偏移的影響機理.該寬帶吸波體由兩層金屬和一層介質構成,結構簡單,加工容易,成本低廉.另外,吸波體對偏振方向不敏感,且具有大角度吸收和超薄的優點.該寬帶吸波體在太赫茲頻段的電磁隱身、測輻射熱探測器以及寬帶通信等領域都有極大的應用價值.若按比例改變吸波體的尺寸,可以將吸收頻率范圍降低到目前太赫茲常用的頻段(0.3—3THz),也可以拓展到微波和紅外等波段.

作者：鄒濤波胡放榮肖靖張隆輝劉芳陳濤單位：桂林電子科技大學電子工程與自動化學院空軍勤務學院