一種工作在S-C波段的雙頻段可開(kāi)關(guān)超材料吸收/反射器

徐建平，王佳云，楊榮草

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

超材料是一種周期陣列結(jié)構(gòu)的人工材料，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以通過(guò)設(shè)計(jì)單元晶胞的幾何尺寸和材料來(lái)調(diào)控，從而獲得獨(dú)特的超常特性，如負(fù)折射、逆多普勒效應(yīng)、完美透鏡等自然材料不具備的性質(zhì)[1-3].2008年Landy等人首次提出了基于超材料的微波單頻段完美吸收器[4]，該工作為后來(lái)各種超材料吸收器的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).超材料吸收器通常由金屬-介質(zhì)基板-金屬組成，通過(guò)利用介質(zhì)基板的介質(zhì)損耗和金屬諧振器的歐姆損耗，超材料吸收器能夠?qū)⑻囟l段的入射電磁波完美吸收.基于該吸收原理，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的諧振結(jié)構(gòu)和選擇合適的襯底材料，各種單頻段、雙頻段、多頻段、寬頻段以及柔性超材料完美吸收器相繼被提出[5-10]，這些超材料吸收器在高性能天線、傳感器以及熱成像等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[11-13].

傳統(tǒng)超材料吸收器在樣品制作后，其幾何參數(shù)和材料參數(shù)均無(wú)法改變，導(dǎo)致其峰值頻率和吸收幅度都不可改變，這在一定程度上限制了超材料吸收器的應(yīng)用范圍.針對(duì)這一問(wèn)題，人們提出了在超材料結(jié)構(gòu)單元中加載變?nèi)荻O管、嵌入石墨烯或利用相變材料作為介質(zhì)基板等方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)諧超材料吸收器[14-18].例如，Song等人提出了基于相變材料二氧化釩的寬頻段幅度可調(diào)諧的超材料吸收器[14]；Gao等人提出了基于石墨烯的寬頻可調(diào)諧超材料吸收器[16]；Zhao等人提出了插入變?nèi)荻O管的單頻段頻率可調(diào)諧超材料吸收器[17]；Xu 等人通過(guò)在超材料單元結(jié)構(gòu)中插入單個(gè)變?nèi)荻O管，實(shí)現(xiàn)了多頻段可調(diào)諧吸收[18].與動(dòng)態(tài)可調(diào)諧吸收器不同，可開(kāi)關(guān)超材料吸收器是能夠選擇性地將吸收峰的一部分或者全部開(kāi)通或關(guān)閉，其實(shí)現(xiàn)方式主要是通過(guò)在結(jié)構(gòu)中嵌入光敏硅、石墨烯、半導(dǎo)體二極管或注入液態(tài)金屬[19-27].例如，Cheng等人通過(guò)在一個(gè)十字形結(jié)構(gòu)的末端嵌入光導(dǎo)硅，在不同強(qiáng)度的光泵浦情況下實(shí)現(xiàn)了THz可開(kāi)關(guān)的單頻段超材料吸收器[19]；通過(guò)使用石墨烯作為諧振器，Ye等人實(shí)現(xiàn)了一種寬頻可開(kāi)關(guān)的THz超材料吸收器[21]；Zhu等人通過(guò)在兩個(gè)相同的電諧振器之間加載半導(dǎo)體二極管，通過(guò)控制其偏置電壓，實(shí)現(xiàn)了單頻段的可開(kāi)關(guān)吸收/反射器[22-23]；Xu等人通過(guò)在開(kāi)口方形環(huán)和短金屬線的組合結(jié)構(gòu)中加載二極管也實(shí)現(xiàn)了單頻段可開(kāi)關(guān)吸收/反射器[24]；Ghosh等人通過(guò)在相鄰的方形環(huán)間接入半導(dǎo)體二極管，實(shí)現(xiàn)了寬頻段的可開(kāi)關(guān)吸收/反射特性[25]；Kim等人通過(guò)在結(jié)構(gòu)中注入液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)了一種寬頻帶的可開(kāi)關(guān)超材料吸收器[27].然而，上述的大部分可開(kāi)關(guān)超材料吸收器都工作在單頻段且需要較復(fù)雜的偏置網(wǎng)絡(luò).

本文中提出了一種工作在S-C波段的可開(kāi)關(guān)雙頻段超材料吸收/反射器，該吸收/反射器由嵌入半導(dǎo)體二極管的兩個(gè)大小不一樣的空心花環(huán)狀諧振器組成.相比于之前的可開(kāi)關(guān)超材料吸收器，該吸收器采用了一種簡(jiǎn)單的饋電方式，并且能夠在2～5 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單頻段、雙頻段完美吸收及完美反射之間任意切換而不影響其吸收峰位置和吸收率.同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還具有極化角不敏感和寬角入射特性，有望用于電磁隱身、生物傳感器、反射器等領(lǐng)域.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的可開(kāi)關(guān)吸收器如圖1 所示，其單元晶包由頂部的兩個(gè)開(kāi)口空心花環(huán)諧振器、Teflon介質(zhì)基板、金屬背板、作為隔離層的FR4介質(zhì)板以及底層饋電線組成.其中，開(kāi)口空心花環(huán)諧振器、金屬背板和底層饋電線都是金屬銅，其厚度為t=0.035 mm；電導(dǎo)率σ=5.8×107s/m；Teflon基板的介電常數(shù)為2.2;損耗正切值為0.001;厚度t1=0.65 mm；FR4的介電常數(shù)為4.4;損耗正切值為0.025;厚度t2=0.25 mm.金屬內(nèi)環(huán)和外環(huán)都是由形狀相同大小不同的橢圓剪切而成，其橢圓短半軸和長(zhǎng)半軸由小到大依次為：Rx1=2.0 mm，Rx2=3.2 mm，Rx3=4.9 mm，Rx4=5.6 mm，Ry1=6.4 mm，Ry2=7.6 mm，Ry3=9.3 mm，Ry4=10 mm；單元晶包邊長(zhǎng)a=18 mm；開(kāi)口大小均為g=1.9 mm.

圖1 吸收器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the proposed switchable absorber

為了研究該結(jié)構(gòu)的吸收特性，本文采用基于有限元積分法的電磁仿真軟件CST Microwave Studio 2015對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，沿著X軸和Y軸方向均設(shè)置為unit cell邊界，沿著Z軸方向設(shè)置open (add space)邊界，電磁波沿著Z方向垂直入射到該吸收器，電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別沿著Y軸和X軸偏振.由于本文提出的吸收器結(jié)構(gòu)采用金屬底板阻擋了電磁波的傳輸，故透射率T(ω)=0，這意味著可以通過(guò)該結(jié)構(gòu)的反射參數(shù)來(lái)計(jì)算其吸收率，因此其吸收率可以表示為A(ω)=1-R(ω)，其中反射率R(ω)=|S11|2，S11為反射系數(shù).

2 仿真結(jié)果和討論

在仿真中，我們選用恩智浦公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體二極管BA591作為開(kāi)關(guān)并建模.該半導(dǎo)體二極管在導(dǎo)通和截至狀態(tài)下都有一個(gè)串聯(lián)電感，當(dāng)施加正向偏置電壓時(shí)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，該二極管具有一個(gè)很小的正向電阻，單元結(jié)構(gòu)等效為兩個(gè)完整的花環(huán)；而施加反向電壓時(shí)開(kāi)關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)二極管具有一個(gè)高電容和一個(gè)大電阻，此時(shí)單元結(jié)構(gòu)等效為具有4開(kāi)口的兩個(gè)花環(huán).由于在二極管不同狀態(tài)下，諧振環(huán)的等效結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，當(dāng)電磁波入射到該吸收器上時(shí)，會(huì)在不同的頻率處發(fā)生諧振，這意味著改變二極管的工作狀態(tài)該吸收器可以實(shí)現(xiàn)吸收頻率的切換.

仿真研究發(fā)現(xiàn)，在垂直入射情況下，當(dāng)內(nèi)、外環(huán)兩組開(kāi)關(guān)二極管G1和G2均處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，4開(kāi)口的內(nèi)、外環(huán)形諧振器在X波段對(duì)入射電磁波發(fā)生響應(yīng)，分別在8.2 GHz和11.82 GHz處形成兩個(gè)反射谷，如圖2(a)所示；當(dāng)內(nèi)、外環(huán)開(kāi)關(guān)二極管G1和G2均處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，內(nèi)、外兩個(gè)完整環(huán)形的諧振器在S-C波段對(duì)入射電磁波發(fā)生響應(yīng)，分別在3.18 GHz和4.1 GHz處形成兩個(gè)接近完美的反射谷，如圖2(b)所示.這意味著，該結(jié)構(gòu)在低頻處所產(chǎn)生的兩個(gè)吸收峰要比在高頻處所產(chǎn)生的兩個(gè)吸收峰的吸收率要高得多.因此本文將著重討論S-C波段的可開(kāi)關(guān)吸收特性.

圖2 該結(jié)構(gòu)處于高頻和低頻范圍的反射系數(shù)Fig.2 The reflectance parameters of the structure in high frequency and low frequency range

當(dāng)開(kāi)關(guān)二極管G1,G2處于不同狀態(tài)時(shí)該結(jié)構(gòu)在S-C波段的吸收特性如圖3 所示.

圖3 G1,G2處于不同狀態(tài)時(shí)吸收率Fig.3 Absorptivity under different states of G1 and G2

在電磁波垂直入射情況下，當(dāng)內(nèi)環(huán)二極管G1和外環(huán)二極管G2均處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，該結(jié)構(gòu)在3.18 GHz 和 4.1 GHz 完美吸收入射電磁波，其吸收率分別為99.6%和97.1%，如圖3(a)圓形線所示；而當(dāng)G1和G2均處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，原有的兩個(gè)吸收峰均被關(guān)閉，該結(jié)構(gòu)在2～5 GHz范圍內(nèi)完美反射入射電磁波，如圖3(a)菱形線所示；當(dāng)G1處于截止?fàn)顟B(tài)而G2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在4.1 GHz 處的吸收峰被完美關(guān)閉，而在3.18 GHz 處的吸收峰幾乎不受任何影響，如圖3(b)圓形線所示.同理，當(dāng)G1處于導(dǎo)通狀態(tài)而G2處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，在3.18 GHz處的吸收峰被完美關(guān)閉而4.1 GHz處吸收峰幾乎不受任何影響，如圖3(b)菱形線所示.這表明可以通過(guò)控制嵌入在內(nèi)環(huán)和外環(huán)處二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，使該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)吸收峰可以獨(dú)立開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)單頻段吸收、雙頻段吸收和完美反射之間的任意切換.

相對(duì)帶寬也是描述吸收器性能的重要指標(biāo)之一，相對(duì)吸收帶寬定義為WRAB=2(fH-fL)/(fH+fL)，其中fH和fL分別為半吸收峰值所對(duì)應(yīng)的上限頻率和下限頻率[8].由此可以計(jì)算出第一個(gè)吸收峰和第二個(gè)吸收峰的相對(duì)帶寬分別為1.02% 和0.86%，這相較于先前報(bào)道的工作在相同頻段的吸收器要窄[22]，這意味著該吸收器在應(yīng)用于探測(cè)器和傳感器等方面時(shí)有更大的優(yōu)勢(shì).

為了進(jìn)一步分析該吸收器的吸收機(jī)理，圖4 給出了不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下該結(jié)構(gòu)的表面電流分布圖.當(dāng)G1和G2均處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，內(nèi)環(huán)、外環(huán)分別與金屬背板在3.18 GHz和4.1 GHz處對(duì)入射電磁波的磁場(chǎng)分量產(chǎn)生獨(dú)立的磁響應(yīng)，從而形成方向相反的環(huán)形表面電流，如圖4(a)所示.而當(dāng)G1截止而G2導(dǎo)通時(shí)，在所關(guān)注的頻段內(nèi)只有外環(huán)對(duì)入射電磁波產(chǎn)生磁響應(yīng)；同樣地，當(dāng)G1導(dǎo)通而G2截止時(shí)，僅內(nèi)環(huán)能夠?qū)θ肷潆姶挪óa(chǎn)生響應(yīng)，因此在這兩種狀態(tài)下，表面電流分別分布在外環(huán)和內(nèi)環(huán)，如圖4(b)和4(c)所示.由此可見(jiàn)，通過(guò)施加偏置電壓使內(nèi)環(huán)和外環(huán)二極管處于導(dǎo)通或者截止?fàn)顟B(tài)，可以分別控制內(nèi)環(huán)和外環(huán)對(duì)入射電磁波的響應(yīng)，從而能夠獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)吸收峰進(jìn)行控制.

圖4 不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的表面電流分布Fig.4 Surface current distributions under different switching states

此外，我們研究了當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，在不同偏振狀態(tài)下該吸收器吸收性能.以雙吸收峰為例，圖5 給出了G1和G2均處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)該吸收器對(duì)不同極化的垂直入射電磁波的吸收率.

圖5 垂直入射電磁波在不同極化角時(shí)該吸收器的吸收率Fig.5 Absorptivity for normal incidence of the EM wave with different polarization angles

由于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有4重旋轉(zhuǎn)特性，圖5中僅給出了極化角從0°～45°的變化.從中可以看出，隨著極化角從0°增加到45°，該吸收器的吸收峰頻率及其吸收率基本不受影響.這表明本文所設(shè)計(jì)的吸收器具有極化角不敏感特性.

在實(shí)際應(yīng)用中，通常情況下入射電磁波并不是完全垂直入射到吸收器表面，因此，具有寬角度入射特性是衡量一個(gè)完美吸收器的重要指標(biāo).圖6 給出了當(dāng)G1和G2均處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)TE和TM波斜入射時(shí)該結(jié)構(gòu)的吸收率.從中可以看出，隨著入射角的增加，該結(jié)構(gòu)對(duì)于TE波和TM波的吸收率都有所降低，當(dāng)入射角增加到60°時(shí)，對(duì)TE波的最低吸收率為72.4%，對(duì)TM波的最低吸收率為72.7%，都達(dá)到了70%以上.該結(jié)果表明本文提出的結(jié)構(gòu)具有寬角度入射特性.

內(nèi)環(huán)寬度W1和外環(huán)寬度W2對(duì)其吸收特性的影響如圖7 所示.當(dāng)內(nèi)環(huán)寬度W1和外環(huán)寬度W2分別從0.55 mm增加到0.75 mm 時(shí)，內(nèi)環(huán)寬度的增大使第二個(gè)吸收峰頻率向低頻移動(dòng)且第一個(gè)吸收峰基本不受影響，如圖7(a)所示；與內(nèi)環(huán)寬度引起的變化相反，外環(huán)寬度的增大使第一個(gè)吸收峰頻率向低頻移動(dòng)而第二個(gè)吸收峰基本不受任何影響，如圖7(b)所示，這進(jìn)一步驗(yàn)證了第一個(gè)吸收峰是由外環(huán)引起的而第二個(gè)吸收峰則是由內(nèi)環(huán)所引起的.

圖6 (a)TE波和(b)TM波斜入射該結(jié)構(gòu)的吸收率Fig.6 Absorptivity for (b)TE wave and (b)TM wave under oblique incidence

圖7 不同內(nèi)環(huán)寬度W1和外環(huán)寬度W2時(shí)的吸收率Fig.7 The absorptivity for different inner ring width W1 and outer ring width W2

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由加載開(kāi)關(guān)二極管的兩個(gè)大小不一樣的空心花瓣?duì)钪C振器組成的有源超材料吸收/反射器.通過(guò)控制二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)可分別控制內(nèi)環(huán)和外環(huán)對(duì)入射電磁波的響應(yīng).該吸收器在S-C波段可實(shí)現(xiàn)單頻段、雙頻段以及完美反射器之間的任意切換.當(dāng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)二極管均處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，該結(jié)構(gòu)在3.18 GHz和4.1 GHz 處實(shí)現(xiàn)雙頻完美吸收，吸收率分別達(dá)到了99.6%和97.1%，相對(duì)帶寬分別為1.02%和0.86%.當(dāng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)二極管中一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)而另一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，該結(jié)構(gòu)可在3.18 GHz 或4.1 GHz處實(shí)現(xiàn)單頻完美吸收.當(dāng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，該結(jié)構(gòu)在 2～5 GHz 范圍內(nèi)完美反射入射電磁波.另外，本文所提出的吸收器具有極化不敏感和寬角吸收特性，因此該吸收/反射器有望用于單頻段和雙頻段的電磁隱身、生物傳感器、反射器等領(lǐng)域.