基于周期結(jié)構(gòu)的電磁輻射控制材料研究

周佩珩，陳萬里，張林博，張 楠，張輝彬，謝建良，鄧龍江

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610054)

基于周期結(jié)構(gòu)的電磁輻射控制材料研究

周佩珩，陳萬里，張林博，張 楠，張輝彬，謝建良，鄧龍江

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610054)

電磁輻射控制材料可以對電磁波傳導(dǎo)、吸收和反射特性進行調(diào)控，成為一類不可或缺的電子信息材料。周期結(jié)構(gòu)靈活的設(shè)計和獨特的性能為電磁波輻射控制帶來了新的發(fā)展，但其強電磁諧振必然導(dǎo)致“窄帶”問題。主要介紹了基于周期結(jié)構(gòu)的幾種電磁波輻射控制材料，通過結(jié)合介質(zhì)特性的多諧振耦合技術(shù)實現(xiàn)了寬帶/高性能設(shè)計。電磁諧振結(jié)構(gòu)間的耦合，突破了非對稱開口諧振環(huán)(SRR)的極化/入射角敏感性；提出了基于等效電磁參數(shù)的諧振關(guān)系，形成了場束縛/圖形耦合等周期結(jié)構(gòu)設(shè)計/加載技術(shù)，使得傳統(tǒng)磁性吸波體-10 dB反射帶寬增加65%且低頻吸收率提高了接近3倍；解決了極化轉(zhuǎn)換周期結(jié)構(gòu)的寬帶/高效問題，設(shè)計的傳輸型極化轉(zhuǎn)換器具有帶通濾波/交叉極化/非對稱傳輸3種功能?；诮橘|(zhì)疊加的紅外寬帶吸波結(jié)構(gòu)具有熱輻射調(diào)控功能，形成了紅外輻射控制的新思路。

電磁輻射控制；周期結(jié)構(gòu)；吸波；極化轉(zhuǎn)換；紅外輻射

Abstract：As one of the essential electronic information materials, electromagnetic radiation control material manipulates the transmission, absorption and reflection of propagating electromagnetic wave. Due to the flexible design and unique properties, periodic structure has brought new development to electromagnetic radiation control technique, but its character of strong electrical/magnetic resonance also causes the narrow-band problem. In this work, several kinds of electromagnetic radiation control materials based on periodic structure are introduced to realize broadband and high efficiency design by multi-resonance coupling. The coupling between electrical/magnetic resonant components breaks the polarization and incident angel dependence of absorption in asymmetric periodic structure; the resonance condition based on effective electromagnetic parameters is proposed to support the design and loading method of periodic structures, e.g. field confinement and pattern coupling, and the -10 dB reflection bandwidth has been increased by 65% while the low-frequency absorption has been increased by almost 3 times; the broadband and high-efficiency problem of periodic structure based polarization convector has been solved, while the proposed polarization convector of transmitting type has three functions as band-pass filtering, cross-polarization, and asymmetric transmission. Based on the dielectric layer stacking method, broadband infrared absorbers are proposed with the ability of thermal radiation control, which inspires the new technique for infrared radiation manipulation.

Key words： electromagnetic radiation control; periodic structure; absorption; polarization conversion; infrared radiation

1 前 言

超材料通過周期結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)自然界材料所不具備的電磁參數(shù)，并且擁有可設(shè)計性和可靈活調(diào)節(jié)的性質(zhì)，近年來為電磁輻射控制帶來了Cloaking(隱身斗篷)、負折射率、隱身地毯等新概念[1-5]。周期結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計原理是電磁諧振，即通過周期單元的等效電容C和電感L來實現(xiàn)LC諧振。與自然材料相比，其優(yōu)勢在于其既有磁諧振又有電諧振，兩者還可以獨立設(shè)計，從而實現(xiàn)阻抗匹配。周期結(jié)構(gòu)通過諧振吸波來衰減電磁信號強度[6-8]，通過極化轉(zhuǎn)換來改變電磁信號性質(zhì)[9-11]，通過相位控制來誘導(dǎo)電磁信號傳播/散射[12-14]，控制目標電磁輻射特征。例如， Landy N I等首次提出完美吸波體的概念， 11.5 GHz下單層材料(約0.8 mm厚)微波吸收率預(yù)計達96%[15]。這種結(jié)構(gòu)可以用于解決電磁輻射控制材料的相關(guān)問題，特別是吸波材料的低頻問題，并且其電磁諧振的機理對所有電磁波，包括紅外/可見光等全頻段均可適用。例如， Padilla W J小組首次從實驗上證實金屬周期結(jié)構(gòu)的近完美吸收能夠在紅外頻域?qū)崿F(xiàn)，并且可將吸收率轉(zhuǎn)化為紅外發(fā)射率[16, 17]。因此，周期結(jié)構(gòu)有望為電磁輻射控制帶來新的機理，但強電磁諧振必然導(dǎo)致其等效電磁參數(shù)存在強色散特性，窄帶問題始終伴隨著該類材料的發(fā)展。

基于以上發(fā)展趨勢和問題，我們利用多諧振耦合技術(shù)來設(shè)計電磁波吸收、極化轉(zhuǎn)換等微波/紅外寬帶電磁散射控制材料，探索周期結(jié)構(gòu)在諧振吸波、非對稱傳輸以及熱輻射管理等電磁輻射控制方面的應(yīng)用。

2 微波輻射控制材料

周期結(jié)構(gòu)電磁諧振的關(guān)鍵是將均勻入射的電磁場能量通過亞波長諧振單元聚集到特殊的局域空間，激發(fā)強烈的感生電場/磁場，從而帶來吸收/透射/反射增強以及極化轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。通過精心構(gòu)建電磁諧振結(jié)構(gòu)以及諧振結(jié)構(gòu)之間的耦合作用，就能夠?qū)⒅C振條件拓寬，解決“寬帶”的電磁輻射控制問題。

2.1 微波吸收

考慮周期內(nèi)諧振單元間的耦合作用，即圖形耦合，所設(shè)計的周期吸波結(jié)構(gòu)如圖1a所示[18]。通常來說，諧振單元的對稱性越低，電磁諧振的極化敏感性越高，但是該非對稱結(jié)構(gòu)卻具備極化/入射角不敏感特性。與傳統(tǒng)的開口諧振環(huán)(SRR)形成的電磁諧振[19, 20]不同，該結(jié)構(gòu)在一個單元內(nèi)設(shè)計了多個SRR結(jié)構(gòu)且在面內(nèi)不對稱，由此引入了SRR間的多諧振耦合。在TM極化下，通過橫向單元耦合在間隙形成等效電容(圖1b)，TE極化下通過縱向單元耦合在兩個不同頻率點經(jīng)由不同的SRR臂感應(yīng)出等效電容(圖1c和1d)，從而在特定頻段內(nèi)，即9～10 GHz，實現(xiàn)來自不同諧振結(jié)構(gòu)的等效LC諧振吸波(圖1e和1f)。

圖1 非對稱SRR電磁諧振原理及吸收譜:(a)吸波結(jié)構(gòu)實物圖；(b)TM極化在9.5 GHz的LC諧振示意圖；(c)和(d)TE極化在9.5 GHz和11 GHz的諧振示意圖；(e)和(f)在TM和TE極化波斜入射時的微波吸收譜(實驗值)[18]Fig.1 The electromagnetic resonance absorption mechanism and spectrum of asymmetric SRR: (a) configuration of the structure; (b) schematic of the LC resonance for TM polarization at 9.5 GHz; (c) and (d) schematics of the LC resonance for TE polarization at 9.5 and 11 GHz; (e) and (f) tested absorption spectra of TM and TE polarized oblique incidence[18]

由于耦合作用的強諧振特性，該非對稱結(jié)構(gòu)能夠保持一定角域內(nèi)(0～60°)且不同極化狀態(tài)下電磁波近完美吸收(吸收率大于90%)的頻率穩(wěn)定性，突破了傳統(tǒng)非對稱SRR的極化/入射角敏感特性。

為了進一步分析和描述周期結(jié)構(gòu)的電磁諧振現(xiàn)象，并將其用于解決傳統(tǒng)微波吸波材料的“低頻/寬帶”問題?；诘刃щ娐贩ê蛡鬏斁€理論，將有耗周期圖案層視為等效RLC電路，推導(dǎo)出周期結(jié)構(gòu)諧振吸波條件[21, 22]，如下式(1)和(2)：

(1)

(2)

其中k為諧振頻率ω下介質(zhì)層的波矢，d為介質(zhì)層厚度，r為理想電阻。

周期結(jié)構(gòu)常用來與傳統(tǒng)吸波體復(fù)合提高吸收性能，但是長期以來缺乏合理的理論解釋和設(shè)計指導(dǎo)[23, 24]。根據(jù)所提出的諧振條件——公式(1)和(2)，通過在3 mm厚磁性吸波層(MA)表面加載設(shè)計十字單元周期結(jié)構(gòu)(圖2a所示)，配合吸波層的色散特性來調(diào)整吸波體整體的等效電感L和等效電容C，從而提高低頻阻抗匹配特性、優(yōu)化吸波性能[25]。周期圖案層厚度約幾十微米，由絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電漿料來制備，因此，相較厚度在毫米級的磁性吸波層，其厚度和重量都可以忽略不計。CST軟件仿真結(jié)果顯示：十字單元端頭的尖銳度顯著影響局域電荷的聚集作用從而改善等效電容，如圖2b。對比矩形十字(MAWCP)和針尖十字(MAWNP)結(jié)構(gòu)， MAWNP電荷的梯度變化較為緩和，等效電容較小，故諧振頻率更高更利于寬帶設(shè)計。圖2c和2d的結(jié)果顯示，通過加載周期結(jié)構(gòu)使得吸波體的-10 dB反射帶寬增加65%且低頻吸收率提高接近3倍。為了進一步確定損耗機理，假設(shè)入射波的能量為1 W，計算得到MA、MAWCP和MAWNP的介電損耗分別為0.0992，0.1372和0.139 W，磁損耗分別為0.8262，0.7086和0.8326 W，歐姆損耗幾乎都為0。通過對比可以看出，加載了圖案后，吸波體的介電損耗增加了。介電損耗的增加主要來源于圖案兩端聚集的電場增強，這與等效電容的變化一致。

另一方面，根據(jù)諧振單元對電磁場空間分布的約束作用，設(shè)計了高磁損耗磁性薄膜卷繞形成的偶極子陣列周期吸波結(jié)構(gòu)，如圖3a和3b所示[26]。高磁損耗薄膜往往由磁性金屬合金構(gòu)成，其高導(dǎo)電性使得電磁波在表面反射無法進入，進而限制了高磁損耗特性的吸波作用[27, 28]。通過諧振條件優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到圖3c中的3種不同情況仿真吸收譜，其中，A情況中偶極子單元既有磁性又有高導(dǎo)電性，B情況中偶極子單元只有導(dǎo)電性，C情況中偶極子單元只有磁性無導(dǎo)電性。圖3d～3f是A/B/C 3種情況下磁場分布圖，可見偶極子單元的強導(dǎo)電性將磁場束縛在薄膜內(nèi)部從而實現(xiàn)磁能的吸收(圖3d和3e)，且高磁損耗顯著提高吸收率。而僅有高磁損耗而無高導(dǎo)電性的薄膜無法吸波?？偟恼f來，A情況與實驗結(jié)果的對比(圖3c)雖然有一定頻移，但都顯示出了強吸收，證實了能夠?qū)⒏叽艙p耗薄膜與周期結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合起來，實現(xiàn)該類材料的吸波應(yīng)用。

圖2 十字單元周期吸波結(jié)構(gòu)原理及吸收譜:(a)吸波結(jié)構(gòu)單元示意圖；(b)十字單元電場分布圖；(c)磁性吸波體(MA)和加載矩形十字(MAWCP)/針尖十字(MAWNP)陣列后吸波體的仿真吸收譜；(d)吸波體的實驗吸收譜[25]Fig.2 The electromagnetic resonance absorption mechanism and spectrum of cross unit periodic structure: (a) configuration of the structure; (b) electric field distribution of the cross unit; (c) simulated absorption spectra of the magnetic absorber loaded without (MA) and with square cross (MAWCP)/ needle-like cross (MAWNP) array; (d) tested absorption spectra for the absorbers[25]

圖3 磁性薄膜偶極子陣列吸波原理及吸收譜：(a)吸波結(jié)構(gòu)截面示意圖；(b)偶極子單元截面示意圖；(c)不同材料吸波結(jié)構(gòu)吸收譜仿真結(jié)果和磁性導(dǎo)電薄膜實驗結(jié)果；(d～f)為圖(c)中不同材料偶極子單元磁場分布圖[26]Fig.3 The electromagnetic resonance absorption mechanism and spectrum of soft magnetic film based dipole-like periodic structure: (a) side view of the structure; (b) cross view of the dipole-like unit; (c) simulated and tested absorption spectra of the structure for different cases; (d～f) the magnetic filed distribution at 5.8 GHz for case A, B, and C shown in (c)[26]

2.2 微波極化轉(zhuǎn)換

極化轉(zhuǎn)換對于天線和微波技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值[29, 30]。周期結(jié)構(gòu)通過電磁諧振設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的極化轉(zhuǎn)換設(shè)計，然而存在轉(zhuǎn)換系數(shù)不高和帶寬較窄等缺點。根據(jù)多諧振耦合的設(shè)計思路，設(shè)計了非對稱十字單元周期結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換[31]。如圖4a所示，交叉十字將x和y方向的偶極子分割為一長一短兩臂，銅制的單元陣列和連續(xù)銅箔分別附著在Teflon介質(zhì)板的上下表面，在垂直入射狀態(tài)下形成8.6 GHz和12.1 GHz兩個交叉極化反射峰(如圖4b)，通過兩個反射峰的諧振耦合將反射系數(shù)0.8的實驗帶寬提高到8.3～14.3 GHz，并且實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

極化轉(zhuǎn)換的原理同樣可以通過等效電路理論來解釋，x和y方向上的等效阻抗可表示為式(3)和式(4)：

(3)

(4)

圖4 非對稱十字陣列極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)：(a)極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)俯視示圖；(b)反射譜仿真和實驗結(jié)果對比，ryy為同極化反射系數(shù)(入射和反射電場都在y軸)，rxy為交叉極化反射系數(shù)(入射電場沿y軸，反射電場沿x軸)[31]Fig.4 The proposed reflective polarization converter based on asymmetric cross-shaped resonator: (a) top view of the structure; (b) simulated and tested reflectance of co-and cross-polarization, ryy and rxy[31]

當電場沿y方向垂直入射時，電路等效電容和電感的來源如圖5所示[31]。電容由對應(yīng)方向上相鄰十字單元端頭聚集的電荷形成，而電感由十字單元臂與連續(xù)金屬層間的環(huán)形電流形成。如圖5c和5d，在8.6 GHz，x和y方向上的電流強度相當，但是y方向的電容弱于x方向分量(S2和S3間隙產(chǎn)生)，所以y方向電場會被引導(dǎo)到x方向，而當Z1y與Z1x相位差為180°就實現(xiàn)了線性極化轉(zhuǎn)換。

同理，圖5e和5f表明，在12.1 GHz，x和y方向上的電荷聚集程度相當，而電流差別很大，使Z1y與Z1x相位差為0°，同樣實現(xiàn)線極化轉(zhuǎn)換。

圖5 非對稱十字陣列極化轉(zhuǎn)換原理：(a)和(b) 極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖；(c)和(d) 8.6 GHz處電場和表面電流矢量分布圖；(e)和(f) 12.1 GHz處電場和表面電流矢量分布圖[31]Fig.5 The mechanism of the proposed reflective polarization converter based on asymmetric cross-shaped resonator: (a) and (b) configuration of the structure; (c) and (d) electric field and surface current vector distribution at 8.6 GHz; (e) and (f) electric field and surface current vector distribution at 12.1 GHz[31]

將以上各向異性等效電路的設(shè)計原理應(yīng)用于傳輸透射型極化轉(zhuǎn)換周期結(jié)構(gòu)并進行優(yōu)化設(shè)計，所設(shè)計的三層圖案如圖6所示[32]。相互垂直的表層(圖6a)和底層圖案(圖6d)保證了電磁波在傳輸過程中電場方向的遷移，圖形簡單的中間層(圖6b)作為表層和底層的過渡，能夠減少電場遷移過程中的能量損失提高轉(zhuǎn)化率。另一方面，由于表層和底層的偏轉(zhuǎn)設(shè)計，當入射波分別沿表層和底層入射時，其透射圖譜會不同，形成非對稱傳輸?shù)默F(xiàn)象。如圖7所示[32]，正向傳輸?shù)耐干鋱D譜(圖7a)與反向傳輸?shù)耐干鋱D譜(圖7b)正好反對稱：當正向入射電場沿v方向或反向入射電場沿u方向時，在11.2 GHz有一個交叉極化透射峰；而當正向入射電場沿u方向或反向電場沿v方向時，在17.5 GHz和21.5 GHz形成兩個交叉極化透射峰。因此，該結(jié)構(gòu)具有以下3種功能：帶通濾波；交叉極化；非對稱傳輸，并且在第二個通帶，透射系數(shù)0.8

圖6 多層SRR極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖：(a)表層俯視圖；(b)中間層；(c)結(jié)構(gòu)單元整體透視圖；(d)底層；(e)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖[32]Fig.6 Schematic of the proposed multi-layered SRR polarization converter: (a) top view of the top layer; (b) the middle layer;(c) perspective view of the structure; (d) bottom layer; (e) side view of the structure[32]

的帶寬可達16.1～22.5 GHz。

圖7 多層SRR極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)透射圖譜：(a)正向垂直入射；(b)反向垂直入射[32]Fig.7 Transmission spectra of the proposed multi-layered SRR polarization converter: (a) forward normal incidence; (b) backward normal incidence[32]

傳輸透射型極化轉(zhuǎn)換的過程同樣可以通過電磁波在整個周期結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時由于各向異性所引起的電磁諧振來理解[33]。如圖8所示[32]，在交叉極化的諧振頻率，代表感生磁場的表面電流在3個關(guān)鍵圖案層分布明顯不同。

圖8 多層SRR極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的正向入射表面電流分布圖 [32]Fig.8 Surface current distribution of the proposed multi-layered SRR polarization converter for the forward normal incidence [32]

在17.5 GHz，三個圖案層的電流i1，i2和i3形成x和y方向的磁場分量，因而透射磁場Hout變得與入射電場Ein平行，而Eout與Ein垂直，從而實現(xiàn)了線性極化90°的偏轉(zhuǎn)。在21.5 GHz，雖然圖案層的電流與17.5 GHz的不同，但是各層表面電流的矢量和仍然形成了與入射電場平行的感生磁場，從而引起極化轉(zhuǎn)換。在11.2 GHz，雖然入射電場方向不同，同類現(xiàn)象仍然存在。

因此，通過多諧振的耦合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)吸波帶寬的拓展，在電磁諧振相關(guān)的極化轉(zhuǎn)換等設(shè)計中，該方法普遍適用。

3 紅外輻射控制材料

紅外波段周期結(jié)構(gòu)電磁諧振的設(shè)計機理仍然適用，而金屬在此波段的介電性質(zhì)由Drude模型描述——具有負介電常數(shù)實部和高損耗，由此帶來等離子諧振的各種理論[34]?；诖?，我們提出了多諧振耦合的主要手段——介質(zhì)疊加法[35, 36]。

所提出的介質(zhì)疊加型紅外吸波結(jié)構(gòu)及其垂直入射吸收性能如圖9所示[35]，由于介質(zhì)的諧振響應(yīng)特性，具有不同介電常數(shù)的Al2O3和ZnSe單層介質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖9a)分別在9及15 μm附近產(chǎn)生了吸收峰，而采用雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖9b)后，這兩個吸收峰疊加在了一起，且吸收峰的位置幾乎沒有變化，近似線性疊加。圖9c和9d中的能量損耗分布顯示，這兩個吸收峰來源于不同金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu)所激發(fā)的磁諧振。對于9 μm處的吸收峰，紅外波能量損耗集中在Al2O3介質(zhì)層及其上下金屬層中，其中上下金屬層磁諧振激發(fā)的磁場能量局域在介質(zhì)層中，此外通過介質(zhì)的介電損耗將能量吸收掉；而對于15 μm處的吸收峰，由于介質(zhì)層無耗且表面電流主要集中在上下金屬層，所以能量主要通過金屬層的歐姆損耗吸收。圖9e和9f是仿真結(jié)果和實驗結(jié)果，都很好得驗證了介質(zhì)疊加拓展吸收的效果。這一結(jié)果表明，采用介質(zhì)諧振響應(yīng)是雙/多波段吸收結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個新途徑，如果介質(zhì)的介電常數(shù)差別不大則諧振峰疊加形成寬帶吸收，并且強諧振吸收對極化和入射角不敏感。

圖9 紅外吸波結(jié)構(gòu)吸波原理及吸收譜：(a)單元俯視圖；(b)單元截面示意圖；(c)和(d) 9 μm和15 μm波長的能量損耗分布圖；(e)和(f) 不同介質(zhì)層吸波結(jié)構(gòu)的仿真和測試吸收譜：A代表雙層，B代表單層Al2O3，C代表單層ZnSe[35]Fig.9 The electromagnetic resonance absorption mechanism and spectrum of infrared absorption structure: (a) top view of the unit cell; (b) cross view of the unit cell; (c) and (d) distribution of the energy dissipation at 9 μm and 15 μm; (e) and (f) simulated and tested absorption spectra for the absorbers：sample A for two dielectric layers, sample B for single Al2O3 dielectric layer, and sample C for single ZnSe dielectric layer[35]

根據(jù)玻爾茲曼定律，該類結(jié)構(gòu)的吸收率即為發(fā)射率，因此通過發(fā)射率頻譜特性的控制可實現(xiàn)紅外熱輻射控制[37]。圖10a中所示的是采用傅里葉紅外光譜儀測試得到的一組吸波結(jié)構(gòu)的吸收率曲線[37]。對于單峰吸波結(jié)構(gòu)，12.7 μm處吸收峰的吸收率為79%；對于雙峰吸波結(jié)構(gòu)，7.9和13.2 μm處兩個吸收峰的吸收率分別為75%和80%。根據(jù)紅外輻射原理，這樣的分別具有單、雙峰吸收效果的吸波結(jié)構(gòu)將能夠?qū)隗w的光譜輻射出射度做出調(diào)制，得到兩種不同的熱輻射情況，如圖10b所示。可以看到，經(jīng)過紅外吸波結(jié)構(gòu)的調(diào)制，黑體的光譜輻射出射度得到了重新的整形(3種情況下，溫度均為20 ℃)，輻射能量的分布發(fā)生了改變：黑體原本在9.8 μm處的輻射出射峰，經(jīng)過單峰吸波結(jié)構(gòu)的調(diào)制后，輻射出射峰出現(xiàn)在12.7 μm處；經(jīng)過雙峰吸波結(jié)構(gòu)的調(diào)制后，在7.9和13.2 μm處出現(xiàn)了2個輻射出射峰。此外，單、雙峰吸波結(jié)構(gòu)的熱輻射情況也完全不同。由于雙峰吸波結(jié)構(gòu)在7.9 μm處多出的一個吸收峰，其在7.5～14 μm這一波段內(nèi)的波段輻射出射度顯然要大于單峰吸波結(jié)構(gòu)。通過對圖10b曲線進行積分，可以計算得到單峰吸波結(jié)構(gòu)的波段輻射出射度為165.8 W/(m2μm)，雙峰吸波結(jié)構(gòu)的波段輻射出射度為174.6 W/(m2μm)，即在這一紅外探測波段內(nèi)，雙峰吸波結(jié)構(gòu)的熱輻射能量要大于單峰吸波結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的，紅外探測器接收到的雙峰吸波結(jié)構(gòu)的熱輻射能量要大于單峰吸波結(jié)構(gòu)。

圖10 單峰和雙峰吸波結(jié)構(gòu)的紅外輻射特性：(a)發(fā)射率；(b)光譜輻射出射度[37]Fig.10 Infrared radiation property of single-band and dual-band absorber: (a) emission; (b) spectral radiation[37]

圖11中所示的是利用紅外熱像儀(FLIR-T610，探測波段為7.5～14 μm)測試得到的這兩種吸波結(jié)構(gòu)的樣品在不同真實溫度下的輻射溫度和熱輻射圖像[37]。在測試中，這兩種吸波結(jié)構(gòu)的樣品被放置在光滑的鋁板上，并處于密閉的腔體中以盡量排除外界熱輻射帶來的干擾。在樣品和鋁板的底部是溫度可控的熱板，用來對樣品進行加熱。當加熱后，兩個樣品與鋁板將達到相同的溫度。樣品的真實溫度采用熱電偶探針測量，輻射溫度可以從紅外熱像儀中讀出(整個樣品表面的平均輻射溫度)。在相同的真實溫度和環(huán)境溫度下，由于這兩種吸波結(jié)構(gòu)在7.5～14 μm這一波段內(nèi)的波段吸收率的不同(單峰吸波結(jié)構(gòu)等效為0.35，雙峰吸波結(jié)構(gòu)等效為0.4)，導(dǎo)致其輻射溫度和波段輻射出射度也不相同。例如，當這兩種吸波結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度為30 ℃，真實溫度為60 ℃時，根據(jù)式(5)[38]：

(5)

式中Tr為輻射溫度，Tu為環(huán)境溫度，T0為吸波結(jié)構(gòu)的真實溫度，e為吸波結(jié)構(gòu)等效發(fā)射率，可以計算得到單峰吸波結(jié)構(gòu)的輻射溫度為41.5 ℃，雙峰吸波結(jié)構(gòu)的輻射溫度為43 ℃。紅外熱像儀的測試結(jié)果驗證了相同的變化趨勢：測試得到的單峰吸波結(jié)構(gòu)的輻射溫度為44.7 ℃，雙峰吸波結(jié)構(gòu)的輻射溫度為49.3 ℃，雙峰吸波結(jié)構(gòu)的熱輻射能量(其熱輻射能量強度由色度所表示)要明顯得大于單峰吸波結(jié)構(gòu)，如圖11a中所示。此外還注意到，兩個吸波結(jié)構(gòu)樣品的熱輻射能量都要遠大于底部的鋁板，這是由于金屬鋁板在所研究的波段反射率非常高，其發(fā)射率低于0.1。

圖11 紅外熱像儀測試得到的單峰(左)和雙峰(右)吸波結(jié)構(gòu)在不同真實溫度下的輻射溫度和熱輻射圖像：(a)60 ℃；(b)80 ℃；(c)100 ℃；(d)120 ℃[37]Fig.11 Radiative temperature and thermal image of single-band and dual-band absorber tested by FTIR at different true temperatures: (a) 60 ℃; (b) 80 ℃; (c) 100 ℃ ; (d) 120 ℃[37]

綜上所述，紅外吸波結(jié)構(gòu)可以有效地對大氣窗口波段內(nèi)的發(fā)射率、輻射出射度和輻射溫度等相關(guān)熱輻射參量進行調(diào)制，并通過這一系列的調(diào)控改變了物體在探測波段內(nèi)的紅外輻射信號。從熱輻射圖像中還可以看到，紅外超材料吸波結(jié)構(gòu)高、低發(fā)射率的搭配組合可以形成類似于紅外涂料的熱迷彩圖案?？梢灶A(yù)見，當將更多不同發(fā)射率的紅外吸波結(jié)構(gòu)搭配組合使用后可以有效地對大面積紅外熱圖像進行分割，從而達到使目標物體與背景相互融合，降低目標物體識別率的目的。

4 結(jié) 語

我們利用多諧振耦合技術(shù)，提出了基于等效參數(shù)匹配關(guān)系的場束縛、圖形耦合、介質(zhì)疊加等設(shè)計方法解決電磁波吸收和極化轉(zhuǎn)換的“低頻寬帶”問題，對于周期結(jié)構(gòu)材料在電磁輻射控制方面的應(yīng)用具有重要意義，有利于對電磁諧振功能的探索和發(fā)展。所提出的紅外寬帶吸波結(jié)構(gòu)，形成了熱輻射控制的發(fā)展思路，是紅外輻射控制的新機理和設(shè)計方法。

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(編輯 惠 瓊)

Study of Electromagnetic Radiation Control Materials Based on Periodic Structure

ZHOU Peiheng, CHEN Wanli, ZHANG Linbo, ZHANG Nan,ZHANG Huibin, XIE Jianliang, DENG Longjiang

(National Engineering Research Center of Electromagnetic Radiation Control Materials, State Key Laboratory of Electronic Thin Film and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

TN34

A

1674-3962 (2017)09-0667-09

2016-10-20

國家自然科學基金資助項目(51025208，61471097)；教育部創(chuàng)新團隊項目(IRT13009)

周佩珩，女，1981年生，教授，Email: phzhou@uestc.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.09.09