太赫兹四波段超材料吸波器设计

时家阔 潘灿 李静娴 宁仁霞 焦铮

【摘 要】本文设计了一个基于超材料的多频带吸波复合结构，该结构由带有空气槽的金、FR-4以及金的基板构成。利用仿真软件CST研究了该结构的电磁特性。从结构参数、电磁场分布等对电磁吸波机理进行研究并且对其结构进行详细分析。发现通过改变结构参数使该结构改变，能使得吸波器对于不同频率点进行吸收。电磁超材料在电磁隐身技术，航空技术以及电磁污染的治理等领域都有着非常重要的作用。

【关键词】超材料；吸波器；CST；时域有限差分；多频

中图分类号： TN213 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.024

【Abstract】In this paper，a multi-band absorbing composite structure based on metamaterials is designed.The structure is composed of gold，FR-4 and gold substrates with air grooves.The electromagnetic characteristics of the structure are studied by simulation software CST.The electromagnetic absorbing mechanism is studied from the structure parameters and electromagnetic field distribution，and its structure is analyzed in detail.It is found that the absorber can absorb different frequencies by changing the structure parameters.Electromagnetic metamaterials play an important role in electromagnetic stealth technology，aviation technology and electromagnetic pollution control.

【Key words】Metamaterials；Absorber；CST；FDTD；Multi-band

1 引言

隨着科学技术的不断发展，超材料已经被越来越多的学者纳入研究。2008年，Landy在基于超材料的概念上[1]，就提出了通过人工设计超材料的形状和尺寸从而能够对电磁波达到“完美吸收器”的概念。所设计的结构能够与入射的电磁波发生耦合现象[2]，从而对特定频率的电磁波能够达到100%的吸收率。他们的团队在此方向取得了很多突破性的进展[3]。随着对超材料的不断深入研究，关于吸波的频率从最初的微波波段不断的升高，目前已经达到了到THz及其以上的波段。但是，他们研究的大多数超材料吸波器的结构都需要最底层为金属材质[4]，因此在吸收频率以外的频段的电磁波会被直接反射出来，这就使得他们所提出的这类吸波器的适用范围变小了。于是在2011年，Smith人就提出了一种具有低反射特性的超材料吸波器，就有效的突破了这个问题。而Smith所提出的观点，对于解决电磁污染问题是具有一定的指导意义的。

电磁波能够携带能量传播，而吸波材料就能将电磁波能量以热能和其他形式的能量释放出去，从而达到吸波的效果[5]，这就有效减少甚至消除电磁辐射带来的污染，从而提出一种能够吸收多个电磁波频率的多频吸收器[6]。如今，随着科技的发展，传统吸波材料已经不能满足现代社会发展的需求。吸波材料的应用非常广泛，可作为现代隐形航空飞行器，先进武器设备的构建材料，是发展现代隐身科技的重要基础[7]。超材料如今已近进入到人类科技的各个领域，比如：军用战机表面隐身技术，雷达等隐身技术，隔热保温和生物医学等前沿方面都有着普遍的应用，说明吸波材料有着无法被取代的重要性[8]。21世纪是信息化的时代，随着电子设备的增多，有限的空间内充斥着越来越多的电磁波，电磁环境正在不断恶化，因此，电磁污染已经逐渐成为21世纪生态环境最为主要的物理污染物之一。目前，治理电磁污染已经成为世界各国所要面临的问题了。要想治理电磁污染，关键是要寻找到一种能够非常有效吸收电磁波的材料，而吸波超材料是必不可少的选择[9]。所以本文主要论述了吸波材料的吸波机理以及对超材料吸波器吸波特性的研究。

2 超材料吸波器的设计与仿真

运用CST软件来设计添加材料然后进行仿真，由于本结构基板为金，所以透射率为0，本结构的吸收率A=1-R2，得到电磁谐振超材料吸波器的吸波特性。

2.1 四波段吸波器设计

图1是本文设计的多频吸收器的结构单元，该吸波器的结构有三层材料成。具体参数如图3-1所示。第一层是边长为15um正方形底基，材料为金属金，电导率■，厚度为1.8um；中间的介质层为RF-4（loss free）有损材料，长宽和厚度与基底完全相同。第三层一个带有空气槽的金属层，这一层是设计吸波器的关键结构，其材料也是金属金，电导率与底基完全相同，厚度为2um。其中L1=30um、L=27um、W1=30um、W=27um、L2=9um、W2=17um、W3=1um、a=1um、b=0.6um、Z1=2um、Z2=1.8um、Z3=1.8um。

采用仿真软件CST（微波工作室）对该吸波器进行仿真。设定磁场方向为X正，电场方向为Y正，横电磁波沿着Z轴方向垂直方向射入到吸波器上。使用CST进行仿真时，设定频率为1THz到10THz。设置X和Y方向上的边界条件为unit cell，Z方向上的边界条件设置为open（add space）。

经过仿真发现该结构有四个吸收频点，其中主要吸收频点三个。如图2所示该超材料吸波器TE模式的透射曲线，在频率约为1.504THz、4.38THz、6.41THz以及8.20THz这三个频率点具有明显的吸收分别为-11dB、-28.256dB、-19.216dB以及-26.851dB，在其他的频率范围基本上没有吸收。而且可以根据调整结构的尺寸从而达到对于不同的频率点进行吸收，这可使吸波器的适用范围扩大。

2.2 基于中腔宽度对吸波器吸收的影响分析

经过电场分析可以看出不同的吸收频点电场分布是不同的，改变电场分布集中的位置是否就能够影响吸收的强度呢？于是通过大量仿真实验提取了效果较好的几组。首先，改变第三层空气槽的形状，保持其他形状不变，改变W2的大小分别为16.4um、16.4um、17.2um，然后观察吸波器对于不同频率点的吸收情况。结果如图4所示：

经过仿真得出结果，低频段的吸波点以及吸波强度基本不随第三层结构的变化而变化。相对较高的频段，会随着第三层空气槽的改变，无论是吸收强度还是吸收频率点都会改变；改变中腔的参数，吸收频率点并不是一味的左右移动，吸收强度也不是一味的增强或减弱，而是吸收强度在W2为16.6um附近达到一个峰值。随后改变尺寸吸收频率点会在4.3THz、6.4THz、8.2THz附近略微波动。也就是说单方面的改变某一个参数，可以在一定程度上改变吸收频点，但是改变是有限的，只是在一定范围内适用。

2.3 基于中间狭缝宽度对于吸波器的影响

经过改变空气槽的宽度W2的宽度后发现，能改影响吸波器对于吸收频点和强度的影响非常有限。于是通过观察仿真的电磁场的分布图，不难看出，在第三层狭缝处有比较明显的电场与磁场的变化，所以从狭缝的宽度入手，改变狭缝W3的宽度，来观察此参数对吸波器的影响。如图3-2（a）所示。为了保证变量一致，依然保持其他变量不变，只改变狭缝宽度W3。分别改变W3的大小为0.6um、0.8um、1.2um，然后继续观察吸波器对于不同频率点的吸收情况，结果如图5所示。

对比图5三种参数，吸波器的吸收情况变化情况：在一定范围内改变狭缝W3的大小对于吸波器的影响很小，除了吸收强度会略有改变，吸收频点变化极小。

2.4 基于中间介质的厚度对吸波器的影响

经过前两节改变空气槽的宽度W2以及中间狭缝的宽度W3，可以看出，能影响吸波器对于吸收频点和强度的影响非常有限，而且有的参数改变甚至基本上不会影响吸波器的吸收性能。因为仿真的频率是THz波段，关于THz波段的吸波器。为了提高吸波器的吸波能力，人们通常会适当增加某一材料的厚度来增大对太赫兹波的吸收效果，这层介质在太赫兹波段的响应特性，吸收效率将直接影响这类吸波器的吸波效果。于是尝试改变中间层FR-4（loss free）的厚度Z2。通过大量仿真取一组比较理想的数据的如图6所示。

结果显示当Z2从1.6um变化到2.2um时，即当中间介质变薄时候吸波器的吸波能力明显降低，但是在低频段吸波器的表显却截然相反。当中间介质变薄时，吸波器的吸波能力却增强了。当介质厚度变大时，吸波器的吸收频点不断缓慢左移。高频段吸波能力也不断改变，但是吸波的能力与介质的厚度却不是呈近似正比的关系，因为仿真显示随着介质厚度的增加，吸波器的吸收能力是呈先增加后减小的趋势，并且在厚度为2um附近达到一个最佳效果。这对于设计完美的吸波器具有指导意义。

3 总结

本文通过设计三层超材料结构实现四波段的吸波器。改变结构参数以及中间介质厚度使入射电磁波与吸波器产生谐振，从而达到吸波的效果。

【参考文献】

[1]班国东，刘朝辉，叶圣天，等.新型涂覆型雷达吸波材料的研究进展[J].表面技术，2016，45（6）：140-146.

[2]周倩，殷小玮，张立同，等.微波可调谐超材料吸波体研究进展[J].科技导报，2016，34（18）：40-46.

[3]胡小赛，沈勇，王黎明，等.吸波材料研究新进展[J].炭素技术，2016，35（2）：11-17.

[4]班国东，刘朝辉，叶圣天，等.新型涂覆型雷达吸波材料的研究进展[J].表面技术，2016，45（6）：140-146.

[5]姜彦南，王扬，葛德彪，等.一种基于石墨烯的超宽带吸波器[J].物理学报，2016（5）.

[6]祁远东，金丹，孙可为.碳纤维/铁硅铝复合吸波材料的性能研究[J].热加工工艺，2016（6）：173-176.

[7]王涛，张峻铭，王鹏，等.吸波材料吸波机制及吸波剂性能優劣评价方法[J].磁性材料及器件，2016，47（6）：7-13.

[8]Liu S W，Wang H P，Xu Q，et al.Robust microscale superlubricity under high contact pressure enabled by graphene-coated microsphere[J].Nature Communications，2017，8：14029.

[9]董志涛，王强，王岩，等.超材料吸波体设计方法研究进展[J].舰船电子工程，2017，37（9）：136-141.