一種可用于太赫茲檢測的柔性人工電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳曦冉 鄭亞偉

摘要：我們設(shè)計的人工電磁結(jié)構(gòu)在太赫茲吸收率達(dá)到80%。改變?nèi)斯る姶沤Y(jié)構(gòu)單元的相關(guān)尺寸，都能夠?qū)崿F(xiàn)95%以上的吸收率。柔性襯底聚酰亞胺價格便宜，靈活性好，以此為襯底的人工電磁結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)卷曲成特定形狀或者貼附與大型設(shè)備表面甚者是折疊，為后期應(yīng)用提供了巨大的方便。太赫茲技術(shù)取得了飛速發(fā)展，我們的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)在太赫茲頻段的高效率吸收，在太赫茲探測、安全檢測或偵察領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：人工電磁結(jié)構(gòu)；柔性襯底；吸收率；太赫茲檢測

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0240-02

1 介紹

利用人工設(shè)計的單元結(jié)構(gòu)的形狀和空間排列，超材料可以實現(xiàn)自然材料所不具備的一些性質(zhì)，如負(fù)介電常數(shù)和負(fù)滲透率。長期以來，太赫茲頻段的發(fā)展相對不足，主要原因在于材料的電磁性質(zhì)太赫茲波段急劇下降，極大地阻礙了太赫茲技術(shù)的發(fā)展。超常材料的特殊性，極大地擴(kuò)展了常用設(shè)備的性能，使太赫茲場得到了廣泛的發(fā)展[1，2]。

超常材料的主要特征之一是可以通過介電常數(shù)和滲透率等參數(shù)來描述。如果超材料阻抗與入射電磁波阻抗相匹配，當(dāng)電磁共振發(fā)生時介電常數(shù)和磁導(dǎo)率保持負(fù)值，則入射波將被超常材料吸收[3]。作為一種聚合物復(fù)合材料的聚酰亞胺（PI）在電磁場中具有低損耗和柔性好的特征。低損耗聚酰亞胺基底上的微米級諧振太赫茲材料可以用于大型超材料的制備，比如容易卷曲成毫米半徑的圓柱體[4]。

2 原理分析

我們的金屬結(jié)構(gòu)模型屬于開環(huán)諧振器。諧振環(huán)的間隙具有電容特性，金屬導(dǎo)線具有電感特性，這兩種結(jié)構(gòu)能夠響應(yīng)外部電場。當(dāng)入射電磁波的電場分量垂直諧振環(huán)開口，并且磁場分量垂直于單元結(jié)構(gòu)法向時，整個單元結(jié)構(gòu)將分別響應(yīng)入射電磁波產(chǎn)生電諧振和磁共振[5]。由于電諧振而形成的負(fù)介電常數(shù)頻帶和由于磁共振形成的負(fù)磁導(dǎo)率頻帶在給定頻率區(qū)域中重合，在這個頻段內(nèi)單位結(jié)構(gòu)具有雙負(fù)特性[6]。

電磁波入射結(jié)構(gòu)單元，由于電磁感應(yīng)的法拉第定律，產(chǎn)生感應(yīng)電流并在電路中發(fā)生RLC諧振。當(dāng)諧振元件發(fā)生諧振時，等效磁導(dǎo)率為負(fù)值。為了消除電氣響應(yīng)的干擾，模型結(jié)構(gòu)的等效電路應(yīng)該是鏡像對稱的單回路。同樣，如果諧振器出現(xiàn)在電諧振元件上。為消除磁響應(yīng)的干擾，等效電路應(yīng)為鏡像對稱雙電路。如果電磁波與結(jié)構(gòu)平面平行，電場分量垂直于諧振環(huán)開口，則該間隙會產(chǎn)生感應(yīng)電流。雖然在等效電路中，由于兩回路中環(huán)路磁通量的變化而產(chǎn)生的電流將抵消相反方向流動的電流，具有電感的金屬結(jié)構(gòu)將響應(yīng)入射磁場。

3 仿真

HFSS是基于有限元分析的電磁仿真軟件，具有非常好的仿真精度和可靠性。構(gòu)造一個包裹結(jié)構(gòu)模型的長方體，以模擬實際的空間電磁場分布。激勵源和接收器設(shè)置在長方體的頂部和底部。入射的電磁波和人造超材料產(chǎn)生作用，在接收端計算基于散射S參數(shù)的吸收率，這是我們工作的重點。圖1所示是此設(shè)計的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，整個設(shè)計只需要把單元結(jié)構(gòu)在水平面上沿著X，Y軸進(jìn)行二維復(fù)制。圖2顯示的是圖1中顯示的銅制諧振環(huán)的參數(shù)。

為了簡化制造步驟，銅層和PI的厚度保持不變，因此圖1中p=18um，q=36um，而周期尺寸d=150um。 參數(shù)w，c和a的尺寸在條件允許下是可調(diào)的。原始大小尺寸如下表1所示。 圖3顯示的是原始尺寸模型在電磁場作用下產(chǎn)生共振，吸收率為81%，很明顯這個結(jié)果并不符合要求，因此我們在保持p、q、d不變的情況下，對圖2中諧振環(huán)的相關(guān)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果在圖4、5、6中顯示。

吸收率是和散射參數(shù)有關(guān)的變量，它通過模型結(jié)構(gòu)直觀地說明了入射電磁波吸收的大小。 A代表吸收率，與散射參數(shù)的關(guān)系為。模型的相應(yīng)尺寸顯然不能滿足要求，我們對這三個變量進(jìn)行了優(yōu)化。 模擬軟件將自動計算相關(guān)超材料模型的吸收率。變量優(yōu)化是按照一定的順序進(jìn)行的，也就是說，在優(yōu)化過程中，其他變量保持不變，以觀察變量對吸收率的影響?？紤]到實驗誤差和仿真中遇到的實際問題，吸收率高于95%被認(rèn)為是理想的。圖4中，w的值為20um，c的值為25um，改變諧振環(huán)的周期尺寸得到的吸收譜，可以發(fā)現(xiàn)所示的曲線都有相對較好的吸收率，且諧振頻率隨著尺寸變大出現(xiàn)紅移。圖5中w值為20um，a值為135um，改變諧振環(huán)的開口c得到的吸收譜，可以發(fā)現(xiàn)所示的曲線都有相對較好的吸收率，且諧振頻率隨著開口變大出現(xiàn)藍(lán)移。圖6中c值為25um，a值為135um，改變諧振環(huán)線寬w得到的吸收譜，可以發(fā)現(xiàn)所示的曲線都有相對較好的吸收率，且諧振頻率隨著線寬變大出現(xiàn)藍(lán)移。

以上所示吸收譜表明我們選擇的諧振環(huán)線寬w、諧振環(huán)開口c和諧振環(huán)周期a都對共振效果和頻率有非常大的影響。共振頻率會隨著尺寸的變化出現(xiàn)不同程度的藍(lán)移或者紅移，我們所取的數(shù)據(jù)點都有比較讓人滿意的吸收率，這是我們甄選的結(jié)果，吸收效率也會隨著尺寸變化而發(fā)生響應(yīng)的變化，只是效率較低的曲線由于并無現(xiàn)實意義而沒有選擇列出。因此，實驗過程中考慮到誤差，上圖顯示的尺寸范圍都滿足條件，這為后期的模型制備提供了良好的仿真基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

我們設(shè)計人工電磁結(jié)構(gòu)能夠在太赫茲頻段實現(xiàn)良好的吸收率。通過控制參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)多種尺寸下的人造電磁結(jié)構(gòu)模型都有讓人滿意的吸收率，這為后期制作的簡易可行提供了保障?；诰埘啺芬r底的人工電磁結(jié)構(gòu)模型，柔軟且可卷曲便于貼附大型結(jié)構(gòu)表面。我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠?qū)μ囟ǖ奶掌濐l率產(chǎn)生共振，可用于太赫茲檢測或者偵察領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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