微帶方形開口環(huán)的高效太赫茲波吸收器研究

程 偉，李九生，孫 超

（中國計(jì)量學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

太赫茲波是指頻率在0.1～10THz（30～3000μm）范圍內(nèi)的電磁波，其波段介于微波和紅外線之間，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的重要電磁波段.太赫茲波在物理、天文學(xué)、生命科學(xué)、生物傳感、醫(yī)藥科學(xué)、衛(wèi)星通信和無線通信等眾多領(lǐng)域，均有重大的科學(xué)研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景［1-3］.太赫茲波實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵之一是實(shí)現(xiàn)對太赫茲波高效、高靈敏度的探測，這就要求有高效率的太赫茲波吸收器.當(dāng)前國內(nèi)外對太赫茲波吸收器已開展了一些研究.H.Tao［4］于2008年利用微加工技術(shù)在半絕緣GaAs表面制作了開口諧振環(huán)（SRRs）結(jié)構(gòu)吸收器，諧振頻率位于1.3THz，吸收率達(dá)到0.7.同年，H.Tao［5］在柔性聚酰亞胺基底上制備厚度為16μm SRRs結(jié)構(gòu)，對頻率為1.6THz的太赫茲波實(shí)現(xiàn)0.97的吸收率.Landy［6］提出了十字架形結(jié)合四開口SRRs方形結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器，金屬部分采用了銻（30nm）、鉑金（40nm）、金（200nm）三層結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在1.145THz處，吸收率達(dá)到0.77.2009年，Shchegolkov［7］提出了結(jié)構(gòu)更簡單，更容易制備的漁網(wǎng)型太赫茲吸收器，能夠?qū)δ骋环较虻奶掌澆▽?shí)現(xiàn)完全吸收.除了單頻吸收器、雙頻以及多頻吸收器同樣受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注.利用雙諧振的SRRs電諧振器，H.Tao［8］實(shí)現(xiàn)了具有兩個(gè)吸收帶的太赫茲吸收器，在1.4THz和3.0THz兩個(gè)頻率點(diǎn)的吸收率分別為0.85和0.94.2012年，Alves［9］設(shè)計(jì)了一種方塊形周期性結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲波吸收器，該吸收器的正面和背面結(jié)構(gòu)均采用了金屬鋁，基體選用了二氧化硅材料，在4THz附近吸收率達(dá)到了0.98，帶寬為2.5THz.

本文提出了一種基于微帶方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器，并針對該吸收器提出了相應(yīng)的等效電路模型.利用等效電路模型計(jì)算出所需吸收頻段太赫茲波吸收器的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)出接近完美吸收的太赫茲波吸收器，大大減少設(shè)計(jì)過程中的工作量.測試結(jié)果表明，該吸收器在0.575THz處吸收率達(dá)到0.993，實(shí)現(xiàn)了對太赫茲波的完美吸收.該吸收器在電磁波吸收、隱身技術(shù)、相位成像、光譜檢測以及熱發(fā)射等領(lǐng)域，均具有十分重要的應(yīng)用前景.

1 吸收器結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

本文提出的基于微帶方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的太赫茲波吸收器采用三層結(jié)構(gòu)，包括頂層方形開口環(huán)、中間高阻硅基體和底層金屬板，結(jié)構(gòu)單元如圖1.圖1（a）是基體上表面結(jié)構(gòu)單元圖，圖1（b）是結(jié)構(gòu)單元截面圖，整個(gè)吸收器由該結(jié)構(gòu)單元按50×50個(gè)周期性排列在高阻硅基體上表面組成.

圖1 吸收器結(jié)構(gòu)單元Figure 1 Structural unit of the absorber

針對該結(jié)構(gòu)提出其等效電路模型如圖2.

圖2 吸收器等效電路Figure 2 Equivalent circuit of the absorber

根據(jù)等效電路計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)單元的諧振頻率［10－12］為：

式（1）中，LM是電感，它可由下式計(jì)算：

其中，μ0是真空磁導(dǎo)率，ρ＝（w＋g）／［l－（w＋g）］為占空比，lavg＝4［l－2（w＋g）］是2個(gè)環(huán)邊長的平均值，l是最外側(cè)環(huán)的長度，w是金屬的線寬，g是相鄰兩環(huán)間的距離.

式（1）中，CM為電容，計(jì)算式如下：

其中，C0為環(huán)間的電容公式［13］，計(jì)算公式為：

其中，ε0是真空中介電常數(shù)，（εr，h，w，g）是有效介電常數(shù).K 是第一類橢圓積分，k＝g／（g＋2 w）.

考慮到導(dǎo)體和介質(zhì)的能量損耗，存在一個(gè)阻抗記為RM，

其中，R0是單位長度的阻抗，R0＝（ρc／ws），ρc為金屬電阻率，s是金屬環(huán)寬度.將式（2）看成LM＝L0lavg（ρ）形式，其中L0是單位長度的感抗，L0＝μ0［14］.與CM并聯(lián)的分流電阻RN，可表示為：

其中，σd為金屬電導(dǎo)率.

在本文設(shè)計(jì)中，初始設(shè)置吸收器結(jié)構(gòu)單元的尺寸為：l＝70μm，g＝5μm，w＝5μm，h＝350μm，s＝1μm，t＝2μm，d＝6μm，a＝80μm.由式（1）～（6）計(jì)算得到：LM＝8.304×10－9H，CM＝1.101×10－17F，RM＝1.8Ω，RN＝6.1×106Ω.對該電路進(jìn)行advanced design system（ADS）仿真驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果如圖3.由圖可知該電路的諧振頻率點(diǎn)為f＝0.590THz，該頻率點(diǎn)的透射（T）為0，反射（R）為0.004，吸收（A）為0.996，帶寬為22GHz，這說明該結(jié)構(gòu)有很高的太赫茲波吸收效率.計(jì)算獲得該結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率曲線如圖4.由圖4可見，在0.590THz處該結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)為8.21＋0.04i，有效磁導(dǎo)率為7.98＋0.02i.因此，在0.590THz處的歸一化有效阻抗值為0.986－0.001i，非常接近空氣的歸一化阻抗值1，表明這種結(jié)構(gòu)在該頻率點(diǎn)與周圍空間的阻抗匹配比較完美.

圖3 吸收器曲線仿真結(jié)果Figure 3 Simulated results of the absorber

圖4 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率曲線Figure 4 Curves of the effective permittivity and permeability

2 測試結(jié)果分析與討論

加工制作的吸收器實(shí)物如圖5.利用FTIR儀器（傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀）對加工樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6.從圖中可見，測試樣品的吸收中心頻率點(diǎn)位于0.575THz處，該點(diǎn)的吸收率為0.993，反射率為0.007，透射率為0，吸收器帶寬測試值為29GHz.測試曲線在非中心頻率點(diǎn)有輕微的抖動(dòng)，這是由于加工樣品的局部斷開、輕微毛刺現(xiàn)象及測試中存在的一定誤差所致.吸收器仿真曲線如圖3.仿真結(jié)果表明吸收器的中心頻率點(diǎn)位于0.590THz處，在該點(diǎn)的吸收率為0.996，反射率為0.004，透射率為0.將測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，兩條吸收曲線走勢大致相同，中心頻率點(diǎn)相差0.015THz，其主要原因是在設(shè)計(jì)吸收器的仿真計(jì)算過程中使用的電磁環(huán)境是理想狀態(tài)，而在實(shí)際測試時(shí)是無法獲得理想電磁狀態(tài)的，同時(shí)測試過程中測試儀器接頭會引入阻抗不匹配因素，也會造成實(shí)際的測試結(jié)果與仿真的結(jié)果有一點(diǎn)差異.總體來說，仿真與測試結(jié)果相吻合，這說明利用所提出的該等效電路模型可以很好地設(shè)計(jì)太赫茲波吸收器結(jié)構(gòu)，并預(yù)測相應(yīng)的吸收頻率、吸收效率等指標(biāo)參數(shù)，達(dá)到了預(yù)期效果.

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于微帶方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的高效率太赫茲波吸收器，在0.575THz處對太赫茲波吸收率達(dá)到0.993.利用等效電路模型完成了器件的設(shè)計(jì)、加工與測試.實(shí)驗(yàn)測試和仿真結(jié)果基本相吻合，驗(yàn)證了該等效電路模型的正確性和有效性.提出的等效電路模型可以為精確地設(shè)計(jì)特定要求的吸收器提供一定的理論依據(jù)，大大減少設(shè)計(jì)過程中的工作量.

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