超薄柔性透射型超構(gòu)材料吸收器*

楊鵬 秦晉 徐進 韓天成

(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

設(shè)計并加工了一種超薄柔性透射型吸收器,總體厚度為0.288 mm,可實現(xiàn)柔性彎曲,容易做到與曲面目標(biāo)共形.該吸收器由三層結(jié)構(gòu)組成,底層是金屬光柵,中間為介質(zhì)層,表面單元由兩條平行放置的尺寸不同的金屬線組成.仿真和實驗結(jié)果表明,對橫電波在5和7 GHz的吸收分別達到97.5%和96.0%,對橫磁波在3.0―6.5 GHz都能保持90%以上的透射率.兩個吸收頻點可分別獨立調(diào)節(jié),增加了設(shè)計的靈活性.另外,當(dāng)入射角增大到60° 時,該吸收器的性能基本不受影響,表現(xiàn)出良好的廣角特性.

1 引言

近年來,超構(gòu)材料吸收器（metamaterial absorber,MA）由于具有結(jié)構(gòu)薄、效率高、頻帶可調(diào)等優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注,在能量收集[1]、生物傳感[2]、亞波長成像[3]、選擇性熱輻射[4]、光電探測[5]、偏振調(diào)控[6]等方面有重要的應(yīng)用前景.Landy等[7]首次提出的完美超構(gòu)材料吸收器 (prefect metamaterial absorber,PMA)由表層金屬諧振環(huán)(electric ring resonators,ERRs）、中間的介質(zhì)層以及底部的金屬線組成,該結(jié)構(gòu)在單頻點對橫磁(transverse magnetic,TM) 波實現(xiàn)了高效吸收,對橫電 (transverse electric,TE) 波幾乎完全反射.隨后,超構(gòu)材料吸收器的研究拓展到了不同的頻段,如微波段[8-11]、太赫茲[12-16]、紅外[17,18]以及可見光[19,20]頻段.與此同時,單頻吸收器也被拓展到了雙頻[21]、三頻[22]、多頻[23]以及寬頻[24].其中,雙頻吸收器近年來受到了足夠重視并得到了廣泛研究[25-32].Wen等[21]通過設(shè)計表層金屬開口諧振環(huán)(electric split-ring resonator,ESRR)、中間的介質(zhì)以及金屬底板的三層結(jié)構(gòu)首次實現(xiàn)了雙頻吸收器.隨后,基于雙方形環(huán)單元[25]、非對稱十字型單元[26]、開口諧振環(huán)單元[27,28]、非對稱T型單元[29]、人工介質(zhì)單元[30]、缺角方形環(huán)單元[31]、圓環(huán)形單元[32]的雙頻吸收器相繼被報道.然而,到目前為止,幾乎所有的吸收器的底層都是一層金屬底板,導(dǎo)致電磁波無法透過 (只能被吸收或反射),因此在有通信需求的應(yīng)用中受到限制.

本文提出了一種極化控制的透射型雙頻吸收器,對TE波能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸收,而對TM則能夠高效透射.在 5 GHz和 7 GHz兩個頻點,對TE波的吸收分別達到97.5%和96.0%,對TM波的透射分別達到97.2%和94.7%.實驗結(jié)果和仿真結(jié)果一致,驗證了設(shè)計的正確性.由于所提出的結(jié)構(gòu)總體厚度只有0.288 mm,可實現(xiàn)柔性彎曲,容易做到與曲面目標(biāo)共形.另外,該吸收器具有寬入射角特性,即便入射角增大到60°,對TE波的吸收和TM波的透射仍然能夠保持在90%以上.本文提出的透射型吸收器在有通信需求的場合有重要應(yīng)用前景.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文提出的透射型雙頻吸收器如圖1(a)所示,由三層結(jié)構(gòu)組成,底層是金屬光柵,中間為介質(zhì)層,表面金屬層的單元由兩條平行放置的尺寸不同的金屬線組成.該吸收器對一種極化的入射波實現(xiàn)高效吸收,而對另一種極化的入射波實現(xiàn)高效透射.其基本結(jié)構(gòu)單元如圖1(b)所示,上下層的金屬線均是厚度為17 μm 的銅,中間的介質(zhì)層是聚四氟乙烯(F4B-2),厚度為0.254 mm,相對介電常數(shù)為2.65,損耗角正切值為0.002.單元結(jié)構(gòu)沿x和y方向的周期分別是P=13.82 mm和l3=19.87 mm.底層金屬光柵的金屬線寬為w3=3.76 mm,表面的兩條金屬線長度分別為l1=18.8 mm和l2=13.3 mm,寬度分別為w1=1.94 mm和w2=2.22 mm,且兩條金屬線的幾何中心分別位于P/4和3P/4處.

3 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果分析

基于有限元方法對提出的透射型雙頻吸收器進行仿真驗證.仿真中將x和y方向的邊界條件均設(shè)置為周期邊界條件,采用平面電磁波作為入射激勵源.規(guī)定入射波的電場方向垂直于xz平面時為TE波,平行于xz平面時為TM波.通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),可以調(diào)控該吸收器的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率,使二者接近一致,從而與空氣界面滿足阻抗匹配條件,實現(xiàn)對電磁波的吸收.吸收率A可表示為A(ω)=1-T(ω)-R(ω),其中 ω 表示入射電磁波的角頻率,T (ω) 表示能量透射率,R (ω) 表示能量反射率.

為驗證設(shè)計的正確性,我們進行了加工測試.測試裝置如圖2(a)所示,發(fā)射喇叭天線發(fā)射電磁波照射到樣品表面,同側(cè)的接收喇叭天線接收反射波從而測出反射系數(shù),背后的接收喇叭天線接收透射波從而測出透射系數(shù),測試環(huán)境照片如圖2(b)所示.加工樣品的實物照片如圖2(c)所示,樣品的幾何尺寸為 397.4 mm × 414.6 mm,由 20 × 30陣列單元組成.測試和仿真結(jié)果如圖2(d)所示,二者符合較好,吸收頻點出現(xiàn)微小平移有兩個原因：一是加工誤差; 二是仿真中考慮的是理想的無限大周期結(jié)構(gòu),而實際加工的結(jié)構(gòu)為有限尺寸.可以看出,對TE波的雙頻吸收接近于1,對TM波在3—9 GHz整個頻段透射率都達到90%以上.因此,本文結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對TE波的高效吸收和TM波的高效透射.

為深入理解本文結(jié)構(gòu)對TE波的電磁吸收機理,模擬在兩個共振頻點處的電場和磁場分布.圖3(a)和圖3(b)分別對應(yīng)頻點f=5 GHz和頻點f=7 GHz的電場分布.可以看出,低頻點的吸收是因為較長的金屬條發(fā)生了諧振,而高頻點的吸收是因為較短的金屬條發(fā)生了諧振.激發(fā)的電場主要集中在金屬線的上下兩端,表明金屬線和底部金屬線上產(chǎn)生了一對反向平行的電流[33],從而形成了磁矩,該磁矩與入射波的磁場相互作用產(chǎn)生磁諧振[34],這就解釋了在兩個共振頻點所觀察到的高吸收率.在兩個共振頻點處的磁場分布如圖3(c)和圖3(d)所示,可以看出,磁場被局限在兩層金屬之間的電介質(zhì)層內(nèi),從而電磁能量也就被限制在電介質(zhì)層內(nèi),幾乎不發(fā)生反射.

圖1 (a) 超薄柔性透射型雙頻吸收器的效果示意圖; (b)基本單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(a) Schematic demonstration of the proposed ultrathin flexible transmission dual-band absorber; (b) schematic diagram of the basic unit structure.

圖2 (a) 實驗裝置示意圖; (b)測試環(huán)境照片; (c) 加工實物照片; (d)仿真和實驗結(jié)果Fig.2.(a) Schematic demonstration of experimental setup; (b) photograph of experimental setup; (c) photograph of the fabricated sample; (d) simulated and measured results.

考慮到在實際應(yīng)用中,空間傳輸?shù)碾姶挪ǔ３碜杂诓煌姆较?這就要求吸收器具有廣角特性.為了考察所提出的結(jié)構(gòu)在不同入射角度下的性能表現(xiàn),本文分別模擬了TM波的透射譜和TE波的吸收譜,結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示.對TM波而言,不同角度入射時的透射譜如圖4(a)所示,可以看到,隨著入射角度的增大,透射率始終保持在90%以上.當(dāng)入射角達到60° 時,在3—9 GHz頻段范圍內(nèi)的透射率高達98%以上.對TE波,當(dāng)入射角達到60° 時,雙頻點的吸收率均能保持在90%以上.另外,由于所提出的結(jié)構(gòu)總體厚度只有0.288 mm,可實現(xiàn)柔性彎曲,容易做到與曲面目標(biāo)共形,如圖4(a)中的插圖所示.由前面的分析可知,本文提出的結(jié)構(gòu)具有良好的廣角特性,對于已覆蓋吸波材料的圓柱形物體,當(dāng)平面電磁波照射到物體表面時,可以等效為不同角度的電磁波斜入射情況.因此可以預(yù)期,包裹了吸波材料的圓柱形物體具有良好的吸波性能,這就使得本文提出的吸波結(jié)構(gòu)具有更廣闊的應(yīng)用前景.

圖3 電場分布 (a) f=5 GHz,(b) f=7 GHz; 磁場分布(c) f=5 GHz,(d) f=7 GHzFig.3.The electric field distributions at (a) f=5 GHz and(b) f=7 GHz,respectively; the magnetic field distributions at (c) f=5 GHz and (d) f=7 GHz,respectively.

最后,討論結(jié)構(gòu)參數(shù)l1和l2對吸收頻點的調(diào)節(jié)作用.當(dāng)l2保持不變,l1從19.4 mm減小到18.2 mm時,TE波的吸收和TM波的透射如圖5(a)所示.可以看到,低頻點吸收峰逐漸向高頻移動且始終保持較高吸收( ＞ 95%),然而,高頻點吸收峰和TM波的透射幾乎不受影響.當(dāng)l1保持不變,l2從14.3 mm減小到12.3 mm時,TE波的吸收和TM波的透射如圖5(b)所示.可以看到,高頻點吸收峰逐漸向高頻移動且始終保持較高吸收( ＞ 95%),而低頻點吸收峰和TM波的透射也同樣不受影響.以上分析表明,雙頻吸收峰可以各自獨立調(diào)節(jié),這就給設(shè)計帶來了極大的靈活性.

圖4 (a) TM波隨入射角度變化的透射譜,插圖為彎曲的加工樣品覆蓋在圓柱形物體表面; (b) TE波隨入射角度變化的吸收譜Fig.4.(a) Transmission spectra for TM wave with the change of incident angle,the inset shows the curved sample covered on the surface of a cylindrical object; (b) the absorption spectra for TE wave with the change of incident angle.

圖5 (a) TE波的吸收和TM波的透射隨l1的變化; (b) TE波的吸收和TM波的透射隨l2的變化Fig.5.(a) The absorption of TE wave and transmission of TM wave with the change of l1; (b) the absorption of TE wave and transmission of TM wave with the change of l2.

4 結(jié) 論

本文提出了一種極化控制的透射型雙頻吸收器,能夠?qū)崿F(xiàn)對TE波的高效吸收和TM波的高效透射,這一特性為其在通信、濾波、傳感等方面的應(yīng)用提供了更大的靈活性.實驗結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好,驗證了設(shè)計的正確性.其次,該結(jié)構(gòu)具有寬入射角特性,當(dāng)入射角增大到60° 時,對TE波的吸收和TM波的透射依然能夠保持在90%以上.另外,該雙頻吸收器具有超薄的結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)柔性彎曲,容易做到與曲面目標(biāo)共形.以上特性使得本文提出的吸波結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景.