一种梳状太赫兹吸波器

李创辉 ，邓玉赏 ，曾繁政 ，莫瑜章

（1贺州学院 广西 贺州 542890)

（2贺州市微波应用技术重点实验室 广西 贺州 542890）

0 引言

近年来，随着太赫兹辐射、探测技术及功能器件的发展，太赫兹吸波器在通信、传感、成像等[1]方面存在潜在的应用价值，而传统吸波器由于体积大、质量重及不容易控制吸收特性等缺点，难以满足太赫兹技术应用需要。自从landy等[2]首次利用亚波长结构设计超材料吸波器后，国内外研究人员对超材料吸波器进行了大量研究，获得了如工字形[3]、T形[4]、I形[5-6]等具有良好吸收特性的各种结构吸波器，而这类吸波器吸收频带比较窄。为了扩展吸收频带宽度，需要在邻近吸收频率实现多个谐振吸收峰，主要采用方法包括似型平铺[7]、似型嵌套[8]、多层叠加[9]等。这些方法中，存在单元尺寸大、空间排列困难、制造困难或厚度限制等缺点。

为了克服这些缺点，本文提出了一种基于梳状结构图案实现的宽频太赫兹超材料吸波器，该吸波器采用金属-介质-金属典型3层结构，顶层由4个结构相同的梳状图案构成。仿真结果显示，该吸波器吸收曲线在6～10 THz频带范围内出现了5个强吸收峰，每个吸收峰吸收率均不小于98.7%，且吸收率大于97%的频率范围达到2 THz。同时对极化敏感性及入射角度敏感性进行分析，所设计的吸波器具有极化无关及较宽入射角良好吸收特性。

1 结构设计

如图1(a)所示，所设计超材料结构单元周期P取30 µm，中间层采用有耗介质，厚度为4.5 µm，介质相对介电常数为3.5+0.2i，顶层和底层均采用金属铜，其电导率为5.8e7，厚度均为0.15 µm，底层为全覆盖。顶层通过图1(b)所示梳状结构图案旋转获得，梳状结构中的每个齿宽度为2 µm，相邻两个齿之间缝隙宽度为0.5 µm，连接各个齿的脊L长21 µm，宽为0.5 µm，梳状结构中间的3个齿高度均为h，其值等于6.1 µm，左右外侧两个齿高度均为h1，其值为3.9 µm。

2 仿真分析

根据电磁波的传输特性，吸波器的吸收率可表示为A(f)=1-R(f)-T(f)，其中R(f)表示吸波器的反射率，其值等于T(f)|S11（f）|2，表示吸波器的透射率，其值等于|S21（f）|2。由于所设计结构的底层厚度为0.15 µm，远大于趋肤深度，从顶层入射的电磁波透过底层的部分可以近似等于0，即T(f)=|S21（f）|2≈0，只要对单元结构进行合理设计，使其与大气层匹配，反射系数S11（f）在工作频段内趋于零，则可以实现完美吸收。利用CST2019建立吸波器单元结构模型，设置X方向和Y方向的边界条件为unit cell，设置Z方向的边界条件为open（add space）。电磁波从所设计单元顶层进入并沿着Z负方向传播，采用频域求解器进行求解，仿真得出超材料的S参数，由S参数可以计算出超材料随频率变化的吸收情况。图2给出了所设计的结构6～10 THz频率范围内TE极化波和TM极化波的仿真结果。由图2可知，TE极化波垂直入射时，在所仿真的频段范围内出现5个吸收峰，分别位于6.8 THz、7.35 THz、7.78 THz、8.27 THz、8.58 THz处，其对应吸收率为99.9%、99.8%、98.7%、99.8%、98.7%，且在6.66～8.66 THz频率范围内吸收率大于97%。对于TM极化波，其结果与TE极化波相差很小，这是由于吸波器具有对称性结构，同时也说明其具有极化不敏感性。

根据等效电路理论，吸波器结构单元可近似等效为均匀介质，其归一化阻抗r可近似等于

由于所设计的吸波器S21=0，于是可化简为

由S参数可以计算出其归一化输入阻抗，图3给出了电磁波在垂直入射时TE极化波归一化输入阻抗的实部和虚部。通过图3可以发现，在6.66～8.66 THz频段范围内（图3阴影范围）归一化输入阻抗r实部很接近1，且虚部接近零，表明吸波器在该频段范围内与自由空间阻抗匹配良好，反射率趋于零，从而实现宽频吸收。

为了分析梳状吸波器每个齿（齿对）对吸波器吸波特性的影响，分别对每一个齿（齿对）与脊构成的结构体进行仿真。考虑到分析方便，定义中间的齿为c1、c1两侧的对称性齿对依次为c2、c3，见图1b。图4为各齿（齿对）单独或组合时仿真结果，由图4a可知仅有c1时，在6～10 THz频率范围内吸收曲线上出现两个吸收峰，分别位于7.88 THz和8.68 THz处，其吸收率为94.8%和77%；仅有齿对c2单独仿真时，吸收曲线上出现了3个不同吸收峰，分别位于6.7 THz、7.97 THz和8.55 THz处，其吸收率为87.1%、97.9%和81.5%；而c3单独仿真时，仅在8.64 THz处出现一个吸收峰，其吸收率为97%。同时发现，当c1单独仿真时，两个吸收峰之间，形成一个吸收率大于65%的较宽吸收频带，而c2单独仿真时，3个吸收峰之间形成了一个更宽的吸收频带，吸收率大于70%的频带超过2 THz，表明c2齿对吸波器的宽频吸收具有重要的影响。尽管如此，其宽频吸收率仍然较低，当c1和c2同时进行仿真时，吸收曲线上出现了4个吸收峰，分别位于6.77 THz、7.24 THz、7.95 THz和8.49 THz处，相应吸收率为99%、94.8%、99.3%和77.3%。通过比较发现，在c1的影响下，c2单独仿真时出现的3个吸收峰发生了微小偏移，同时在7.24 THz处出现了一个新的吸收峰，4个吸收峰之间，同样形成一个较宽的吸收带。值得注意的是，在低频段的3个吸收峰之间，形成一个吸收率大于90%的吸收带，频率从6.6～8.1 THz，带宽达到1.5 THz，见图4(b)。当加入第3个齿对c3时，受到c3的影响，6.6～8.1 THz之间的吸收率进一步提高，而7.95～8.49 THz之间吸收率提高更明显，同时新增一个吸收峰，使得6～10 THz之间出现5个相邻较近的强吸收峰，从而实现宽频吸收。

角度敏感性是吸波器的一个重要指标，反映了吸波器对斜入射波的吸收性能，图5给出了吸波器从6～10 THz频率范围内TE极化波和TM极化波在不同入射角时吸收情况，虚线处表示各吸收峰所在位置。从图5(a)可知，对于TE波，随着入射角度增大，7.78 THz处的吸收峰逐渐消失；6.8 THz和7.35 THz处吸收峰逐渐向低频方向偏移，且6.8 THz处的吸收峰偏移明显比7.35THz处更快，致使两个吸收峰频率间隔逐步增大，从而导致了两个吸收峰之间的吸收率明显下降；8.27 THz和8.58 THz的吸收峰逐渐向高频方向移动，同样造成了吸收峰之间频率间隔增大，导致吸收峰之间的吸收率下降。当入射角小于20°时，吸收率下降相对比较缓慢，其吸收率保持在90%以上；随着入射角进一步增大，关注频率范围内吸收谷迅速降。对于TM波，随着入射角度增大，8.58 THz处的吸收峰消失，吸收率总体变化不大，仅在高频端吸收频带稍有变窄。随着入射角增大到40°，6.66～8.5 THz频率范围内吸收率仍大于90%，带宽达 1.84 THz，可见TM入射波在40 °斜入射仍有很高的吸收率。

3 结语

太赫兹吸波器在通讯、传感器及成像方法具有潜在的应用价值，本文基于梳状结构图案，设计一种宽频太赫兹吸波器，该吸波器在6～10 THz之间出现5个相邻较近的强吸收峰，多个吸收峰形成宽频吸收。此外该吸波器具有极化不敏感性及较宽入射角的良好吸收特性，为宽频吸波器设计提供参考。