一種梳狀太赫茲吸波器

李創(chuàng)輝 ，鄧玉賞 ，曾繁政 ，莫瑜章

（1賀州學(xué)院 廣西 賀州 542890)

（2賀州市微波應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西 賀州 542890）

0 引言

近年來(lái)，隨著太赫茲輻射、探測(cè)技術(shù)及功能器件的發(fā)展，太赫茲吸波器在通信、傳感、成像等[1]方面存在潛在的應(yīng)用價(jià)值，而傳統(tǒng)吸波器由于體積大、質(zhì)量重及不容易控制吸收特性等缺點(diǎn)，難以滿足太赫茲技術(shù)應(yīng)用需要。自從landy等[2]首次利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超材料吸波器后，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)超材料吸波器進(jìn)行了大量研究，獲得了如工字形[3]、T形[4]、I形[5-6]等具有良好吸收特性的各種結(jié)構(gòu)吸波器，而這類吸波器吸收頻帶比較窄。為了擴(kuò)展吸收頻帶寬度，需要在鄰近吸收頻率實(shí)現(xiàn)多個(gè)諧振吸收峰，主要采用方法包括似型平鋪[7]、似型嵌套[8]、多層疊加[9]等。這些方法中，存在單元尺寸大、空間排列困難、制造困難或厚度限制等缺點(diǎn)。

為了克服這些缺點(diǎn)，本文提出了一種基于梳狀結(jié)構(gòu)圖案實(shí)現(xiàn)的寬頻太赫茲超材料吸波器，該吸波器采用金屬-介質(zhì)-金屬典型3層結(jié)構(gòu)，頂層由4個(gè)結(jié)構(gòu)相同的梳狀圖案構(gòu)成。仿真結(jié)果顯示，該吸波器吸收曲線在6～10 THz頻帶范圍內(nèi)出現(xiàn)了5個(gè)強(qiáng)吸收峰，每個(gè)吸收峰吸收率均不小于98.7%，且吸收率大于97%的頻率范圍達(dá)到2 THz。同時(shí)對(duì)極化敏感性及入射角度敏感性進(jìn)行分析，所設(shè)計(jì)的吸波器具有極化無(wú)關(guān)及較寬入射角良好吸收特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1(a)所示，所設(shè)計(jì)超材料結(jié)構(gòu)單元周期P取30 μm，中間層采用有耗介質(zhì)，厚度為4.5 μm，介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為3.5+0.2i，頂層和底層均采用金屬銅，其電導(dǎo)率為5.8e7，厚度均為0.15 μm，底層為全覆蓋。頂層通過(guò)圖1(b)所示梳狀結(jié)構(gòu)圖案旋轉(zhuǎn)獲得，梳狀結(jié)構(gòu)中的每個(gè)齒寬度為2 μm，相鄰兩個(gè)齒之間縫隙寬度為0.5 μm，連接各個(gè)齒的脊L長(zhǎng)21 μm，寬為0.5 μm，梳狀結(jié)構(gòu)中間的3個(gè)齒高度均為h，其值等于6.1 μm，左右外側(cè)兩個(gè)齒高度均為h1，其值為3.9 μm。

2 仿真分析

根據(jù)電磁波的傳輸特性，吸波器的吸收率可表示為A(f)=1-R(f)-T(f)，其中R(f)表示吸波器的反射率，其值等于T(f)|S11（f）|2，表示吸波器的透射率，其值等于|S21（f）|2。由于所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的底層厚度為0.15 μm，遠(yuǎn)大于趨膚深度，從頂層入射的電磁波透過(guò)底層的部分可以近似等于0，即T(f)=|S21（f）|2≈0，只要對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其與大氣層匹配，反射系數(shù)S11（f）在工作頻段內(nèi)趨于零，則可以實(shí)現(xiàn)完美吸收。利用CST2019建立吸波器單元結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置X方向和Y方向的邊界條件為unit cell，設(shè)置Z方向的邊界條件為open（add space）。電磁波從所設(shè)計(jì)單元頂層進(jìn)入并沿著Z負(fù)方向傳播，采用頻域求解器進(jìn)行求解，仿真得出超材料的S參數(shù)，由S參數(shù)可以計(jì)算出超材料隨頻率變化的吸收情況。圖2給出了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)6～10 THz頻率范圍內(nèi)TE極化波和TM極化波的仿真結(jié)果。由圖2可知，TE極化波垂直入射時(shí)，在所仿真的頻段范圍內(nèi)出現(xiàn)5個(gè)吸收峰，分別位于6.8 THz、7.35 THz、7.78 THz、8.27 THz、8.58 THz處，其對(duì)應(yīng)吸收率為99.9%、99.8%、98.7%、99.8%、98.7%，且在6.66～8.66 THz頻率范圍內(nèi)吸收率大于97%。對(duì)于TM極化波，其結(jié)果與TE極化波相差很小，這是由于吸波器具有對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，同時(shí)也說(shuō)明其具有極化不敏感性。

根據(jù)等效電路理論，吸波器結(jié)構(gòu)單元可近似等效為均勻介質(zhì)，其歸一化阻抗r可近似等于

由于所設(shè)計(jì)的吸波器S21=0，于是可化簡(jiǎn)為

由S參數(shù)可以計(jì)算出其歸一化輸入阻抗，圖3給出了電磁波在垂直入射時(shí)TE極化波歸一化輸入阻抗的實(shí)部和虛部。通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn)，在6.66～8.66 THz頻段范圍內(nèi)（圖3陰影范圍）歸一化輸入阻抗r實(shí)部很接近1，且虛部接近零，表明吸波器在該頻段范圍內(nèi)與自由空間阻抗匹配良好，反射率趨于零，從而實(shí)現(xiàn)寬頻吸收。

為了分析梳狀吸波器每個(gè)齒（齒對(duì)）對(duì)吸波器吸波特性的影響，分別對(duì)每一個(gè)齒（齒對(duì)）與脊構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行仿真?？紤]到分析方便，定義中間的齒為c1、c1兩側(cè)的對(duì)稱性齒對(duì)依次為c2、c3，見(jiàn)圖1b。圖4為各齒（齒對(duì)）單獨(dú)或組合時(shí)仿真結(jié)果，由圖4a可知僅有c1時(shí)，在6～10 THz頻率范圍內(nèi)吸收曲線上出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰，分別位于7.88 THz和8.68 THz處，其吸收率為94.8%和77%；僅有齒對(duì)c2單獨(dú)仿真時(shí)，吸收曲線上出現(xiàn)了3個(gè)不同吸收峰，分別位于6.7 THz、7.97 THz和8.55 THz處，其吸收率為87.1%、97.9%和81.5%；而c3單獨(dú)仿真時(shí)，僅在8.64 THz處出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，其吸收率為97%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)c1單獨(dú)仿真時(shí)，兩個(gè)吸收峰之間，形成一個(gè)吸收率大于65%的較寬吸收頻帶，而c2單獨(dú)仿真時(shí)，3個(gè)吸收峰之間形成了一個(gè)更寬的吸收頻帶，吸收率大于70%的頻帶超過(guò)2 THz，表明c2齒對(duì)吸波器的寬頻吸收具有重要的影響。盡管如此，其寬頻吸收率仍然較低，當(dāng)c1和c2同時(shí)進(jìn)行仿真時(shí)，吸收曲線上出現(xiàn)了4個(gè)吸收峰，分別位于6.77 THz、7.24 THz、7.95 THz和8.49 THz處，相應(yīng)吸收率為99%、94.8%、99.3%和77.3%。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，在c1的影響下，c2單獨(dú)仿真時(shí)出現(xiàn)的3個(gè)吸收峰發(fā)生了微小偏移，同時(shí)在7.24 THz處出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，4個(gè)吸收峰之間，同樣形成一個(gè)較寬的吸收帶。值得注意的是，在低頻段的3個(gè)吸收峰之間，形成一個(gè)吸收率大于90%的吸收帶，頻率從6.6～8.1 THz，帶寬達(dá)到1.5 THz，見(jiàn)圖4(b)。當(dāng)加入第3個(gè)齒對(duì)c3時(shí)，受到c3的影響，6.6～8.1 THz之間的吸收率進(jìn)一步提高，而7.95～8.49 THz之間吸收率提高更明顯，同時(shí)新增一個(gè)吸收峰，使得6～10 THz之間出現(xiàn)5個(gè)相鄰較近的強(qiáng)吸收峰，從而實(shí)現(xiàn)寬頻吸收。

角度敏感性是吸波器的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了吸波器對(duì)斜入射波的吸收性能，圖5給出了吸波器從6～10 THz頻率范圍內(nèi)TE極化波和TM極化波在不同入射角時(shí)吸收情況，虛線處表示各吸收峰所在位置。從圖5(a)可知，對(duì)于TE波，隨著入射角度增大，7.78 THz處的吸收峰逐漸消失；6.8 THz和7.35 THz處吸收峰逐漸向低頻方向偏移，且6.8 THz處的吸收峰偏移明顯比7.35THz處更快，致使兩個(gè)吸收峰頻率間隔逐步增大，從而導(dǎo)致了兩個(gè)吸收峰之間的吸收率明顯下降；8.27 THz和8.58 THz的吸收峰逐漸向高頻方向移動(dòng)，同樣造成了吸收峰之間頻率間隔增大，導(dǎo)致吸收峰之間的吸收率下降。當(dāng)入射角小于20°時(shí)，吸收率下降相對(duì)比較緩慢，其吸收率保持在90%以上；隨著入射角進(jìn)一步增大，關(guān)注頻率范圍內(nèi)吸收谷迅速降。對(duì)于TM波，隨著入射角度增大，8.58 THz處的吸收峰消失，吸收率總體變化不大，僅在高頻端吸收頻帶稍有變窄。隨著入射角增大到40°，6.66～8.5 THz頻率范圍內(nèi)吸收率仍大于90%，帶寬達(dá) 1.84 THz，可見(jiàn)TM入射波在40 °斜入射仍有很高的吸收率。

3 結(jié)語(yǔ)

太赫茲吸波器在通訊、傳感器及成像方法具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，本文基于梳狀結(jié)構(gòu)圖案，設(shè)計(jì)一種寬頻太赫茲吸波器，該吸波器在6～10 THz之間出現(xiàn)5個(gè)相鄰較近的強(qiáng)吸收峰，多個(gè)吸收峰形成寬頻吸收。此外該吸波器具有極化不敏感性及較寬入射角的良好吸收特性，為寬頻吸波器設(shè)計(jì)提供參考。