太赫兹波段双宽带极化无关超材料吸波体的设计研究

王连胜，夏冬艳，丁学用，汪 源，何彦廷

太赫兹波段双宽带极化无关超材料吸波体的设计研究

王连胜1，夏冬艳2，丁学用1，汪 源1，何彦廷1

（1. 三亚学院理工学院，海南 三亚 572022；2. 三亚学院财经学院，海南 三亚 572022）

设计了一种太赫兹波段的雪花状双宽带极化无关超材料吸波体。采用时域有限元积分的方法对结构单元的电磁特性进行计算，结果表明结构单元在0.9～1.2THz之间出现了两个吸收带，吸收率90%以上的频带分别是0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz，带宽分别为37.8GHz和35.6GHz；通过对其表面电流分布进行分析，发现其双宽带吸收特性是由不同的谐振频率叠加产生的；通过对结构单元在不同级对称性破缺下的吸收特性进行计算分析，发现结构单元的双宽带吸收特性对对称性破缺不敏感。

太赫兹；双宽带；极化无关；超材料吸波体；对称性破缺效应

0 引言

超材料吸波体是一种结构型吸波体，由周期性吸收单元组成吸波阵列，每个吸波单元一般是三明治结构：顶层的金属图案、中间层的介质基板以及底层的金属板[1-2]。Landy于2008年首次提出了基于单个电环谐振器和短导线组合而成的超材料吸波体，金属结构的谐振会使得超材料吸波体中局域场急剧增强，在达到阻抗匹配的情况下，具有损耗的电介质会对电磁波产生强损耗吸收[3]。此后，超材料吸波体的设计从微波波段[4-5]进一步拓展到太赫兹频段[6-7]以及红外波段[8-9]和光波段[10-12]，从单频带吸收扩展到双频带[13-15]、三频带[16-18]、宽带[19-20]以及可调[21]吸收。基于人工结构的超材料吸波体成功地突破了Terahertz（太赫兹）“禁带”，为超材料吸波体在医学、生物、军事以及热成像仪等领域和设备上的应用提供了广阔的前景。

目前，设计太赫兹波段宽带超材料吸波体的方法主要有3种，一种是文岐业[22]、He[23]和Van Tuong Pham[24]等提出的利用多层金属与介质层交替叠加实现宽带吸收；一种是Grant[25]、Ye[26]和Wang[27]等提出的在厚度方向上多层金属嵌套实现宽带吸收；最后一种是Huang[28]，Wang[29]，Cheng[30]和Wen[31]等提出的平面内不同尺寸金属单元排列来实现宽带吸收。其中，前两种方法要求各层严格对准，对工艺要求高，制备过程复杂，加工成本高。第3种方法仅设计3层结构，在工艺上容易实现，而且成本低，但是Huang，Wang等人设计的结构是通过平面内不同尺寸金属单元排列实现的，吸收特性是极化相关的。在许多实际的应用中，不仅要求吸波体有大的吸收带宽,，而且要求对极化方向不敏感。基于此，结合Zhao X P教授课题组提出的具有各向同性结构的树枝状超材料及其符合化学上自然生长的制备方法[32]，本文设计了太赫兹波段的雪花状双宽带极化无关电磁超材料吸波体，结构单元在0.9～1.2THz之间出现了两个宽带吸收峰，由于结构单元的旋转对称性，故其吸收特性是极化无关的；由于结构单元的金属单元是单一尺寸的，故其加工成本更低。

1 模型设计

本文设计的太赫兹波段雪花状双宽带极化无关超材料吸波体结构单元模型如图1所示，正视图如图2所示。结构单元由3层材料组成：第一层为雪花状金属铜层（电导率为5.9×107S/m），厚度为50mm；第二层为FR4介质层（正切损耗角为0.025，介电常数为4.9），厚度为500mm；第三层为金属铜基板，厚度为100mm。结构单元的有关尺寸为：＝800mm，＝200mm，＝200mm，＝10mm，＝60°，上述结构单元的厚度及结构尺寸是经优化后得出的。

采用商业三维电磁仿真软件Microwave studio CST对图1所示的模型按上述参数进行建模，仿真过程中采用波导端口激励，周期边界条件设置为、方向，其中方向为完美磁边界（PMC），方向为完美电边界（PEC），方向设置为激励入射端口，采用时域求解器对结构单元的电磁参数进行计算。

图1 结构单元示意图

图2 结构单元正视图

2 结果分析与讨论

图3 结构单元的吸收率曲线

根据测得的参数，采用参数反演法计算了超材料吸波体结构单元的归一化阻抗实部，结果如图4所示，从图4可以看出，归一化阻抗实部在0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz之间接近于1，根据超材料吸波体归一化阻抗实部的计算公式2＝1/0，其中2为超材料吸波体的归一化阻抗实部，1为超材料吸波体的阻抗实部，0为自由空间的阻抗实部，当超材料吸波体的归一化阻抗实部接近1时，超材料吸波体的阻抗实部与自由空间的阻抗实部接近，表明超材料吸波体与自由空间达到了良好的阻抗匹配，吸收率较高。

图4 归一化阻抗实部曲线

为分析超材料吸波体结构单元宽带吸收峰出现的原因，在吸收带内随机选取0.967THz、0.989THz、1.101THz和1.114THz四个频率点处结构单元的表面电流分布进行分析，结果如图5所示。从图5可以看出，0.967THz、0.989THz和1.101THz处表面电流主要集中于相应图中虚线框内的区域；1.114THz处的表面电流均匀分布于雪花状金属结构层。这说明不同的谐振频率是由结构单元不同的部分引起的。由此可见，结构单元在电磁波的作用下会在不同频率处产生谐振，多个谐振频率叠加产生宽带吸收。

超材料吸波体的结构尺寸对其吸收特性有重要影响，为分析超材料吸波体的结构尺寸对其吸收特性的影响，计算了不同线宽下结构单元的吸收率，结果如图6所示。从图6可以看出，当从10mm到50mm逐渐增加时，结构单元吸收率90%以上的带宽逐渐减少。分析原因主要是随着宽度的增加，结构单元对电磁波的反射面增加，对电磁波的反射增强，导致结构单元在一些频率处与自由空间的阻抗匹配程度减小，进而对电磁波的吸收率减小，故随着宽度的增加，结构单元吸收率90%以上的带宽逐渐减小。

图5 表面电流分布

图6 不同线宽下结构单元的吸收率曲线

3 对称性破缺效应研究

由图1可以看出，结构单元具有较高的旋转对称性，而采用物理刻蚀或者化学沉积的方法在制备该结构单元过程中，不可避免地会造成雪花状金属铜层中某些部分的缺失，从而造成其旋转对称性出现破缺，因此对结构单元在不同级别对称性破缺下的吸收特性进行研究具有重要的实际意义，不同级别对称性破缺下结构单元的正视图如图7所示。

对结构单元在不同级别对称性破缺下的吸收率进行测量计算，结果如图8所示。从图8可以看出，结构单元在1、2、3、4级对称性破缺下对太赫兹电磁波的吸收特性没有发生明显变化；在5级、6级和7级对称性破缺下结构单元的双宽带吸收特性消失，只出现了双吸收峰，分析原因主要是随着对称性破缺程度的加大，引起谐振的结构单元组成部分减少，从而造成谐振频率减少，因而双宽带吸收峰逐渐变窄，形成双吸收峰。上述结果说明结构单元的双宽带吸收特性对对称性破缺不敏感，有利于实际实现。

4 总结

自然界中很多材料在太赫兹频段没有电磁响应，太赫兹超材料的出现为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇。本文设计了一种太赫兹波段的雪花状双宽带极化无关超材料吸波体，结构单元由3层材料组成：顶层的雪花状金属层，中间的FR4介质层以及底层的金属铜基板。采用时域有限元积分的方法对结构单元的电磁特性进行计算，结果表明结构单元在0.9～1.2THz之间出现了两个吸收带，吸收率90%以上的频带分别是0.9642～1.002THz和1.096～1.1316THz，带宽分别为37.8GHz和35.6GHz；计算表明，两个吸收频带内的归一化阻抗实部接近于1，表明结构单元与自由空间实现了良好的阻抗匹配；通过对其表面电流分布进行分析，发现其双宽带吸收特性是由不同的谐振频率叠加产生的；通过对结构单元在不同级别对称性破缺下的吸收特性进行测量计算，结构单元的双宽带吸收特性对对称性破缺不敏感。结构单元具有简单、较容易实现等优点。

图7 不同级别对称性破缺下结构单元的正视图

图8 不同级别对称性破缺下结构单元的吸收率

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The Design Research of Dual Wideband Polarization-independent Metamaterials Absorber in the THz Band

WANG Liansheng1，XIA Dongyan2，DING Xueyong1，WANG Yuan1，HE Yanting1

(1.,,572022,; 2.,,572022,)

The snowflake dual wideband polarization-independent metamaterials absorber in the THz band was designed in this paper. The electromagnetic properties of structure unit was calculated by using time-domain finite integral method, and the results indicated that two absorption bands appeared between 0.9-1.2THz, the two absorption bands with the absorption larger than 90% were 0.9642-1.002THz and 1.096-1.1316THz, and the bandwidth was 37.8GHz and 35.6GHz respectively. By monitoring the surface current distribution, it indicated that its wideband absorption characteristic was determined by the overlay of different resonance frequencies. By measuring the absorption characteristic of structure unit under different levels of symmetry broken, it indicated that its dual wideband absorption characteristic was not sensitive with symmetry-broken.

THz，dual wideband，polarization-independent，metamaterials absorber，symmetry-broken effect

TB34

A

1001-8891(2016)07-0607-05

2015-10-23；

2016-03-11.

王连胜（1982-），男，硕士，讲师，主要从事超材料方面的研究。E-mail：wlswls1982@126.com。

海南省自然科学基金项目（114015）；海南省自然科学基金项目（614252）。