基于雙尺度4 分離層優(yōu)化的石墨烯太赫茲寬帶吸波結構

檀立剛，駱明偉，李 捷

（四川九洲電器集團有限責任公司 技術創(chuàng)新中心，四川 綿陽 621000）

引言

太赫茲雷達具有透射性好、方向性強、頻譜寬、分辨率高等特點[1]，有望成為在未來戰(zhàn)爭中改變戰(zhàn)爭格局的顛覆性技術，尤其是在對四/五/六代隱身戰(zhàn)機的反隱身探測方面將發(fā)揮重大作用，受到各國政府高度重視和廣泛關注，紛紛將太赫茲技術列入顛覆性技術和戰(zhàn)略需求。自20 世紀90年代起，美國先后開展了0.14 THz、0.22 THz、0.58 THz、0.67 THz、1.14 THz、1.57 THz 等工作頻段的太赫茲雷達研究，驗證了太赫茲雷達的可行性，并不斷提升太赫茲雷達的作用距離[2-3]。2017 年，DARPA 開發(fā)并報道了視頻合成孔徑雷達（ViSAR），工作頻段0.23 THz，作用距離可達10 km，成功實現(xiàn)了可透視云層的視頻高分辨率成像和機動定位等功能。2018 年，DARPA 進一步開發(fā)出了小型化、低成本新型太赫茲成像雷達（ASTIR），具有高幀率、高分辨率、非運動成像能力，可實現(xiàn)廣域視頻監(jiān)視[4-5]。隨著太赫茲技術的進步，太赫茲雷達已逐步應用于空間/臨近空間平臺，太赫茲雷達大氣遠程探測已不再遙不可及[6-7]。

縱觀太赫茲雷達發(fā)展歷程，太赫茲雷達典型工作頻率有0.14 THz、0.22 THz、0.58 THz、0.67 THz、1.14 THz 和1.57 THz，主要集中在0.1 THz～2 THz低頻波段。鑒于未來遠程太赫茲雷達對現(xiàn)有裝備構成的潛在巨大威脅，如何實現(xiàn)對太赫茲雷達的高效對抗與隱身成為亟待解決的現(xiàn)實問題。超材料吸波結構的出現(xiàn)與快速發(fā)展為太赫茲雷達對抗與隱身提供了可行的技術途徑，有望成為太赫茲雷達對抗與隱身的有效手段?，F(xiàn)有多數(shù)超材料吸波結構僅對單一頻率較窄波段范圍內實現(xiàn)近完美吸收，無法滿足太赫茲雷達對抗與隱身所需的寬帶和高吸收效率要求，超材料寬帶吸收結構設計又往往比較復雜，已成為超材料吸波結構研究的熱點和難點。在多波段或寬波段吸收器研究方面，Tao 等人[8]通過優(yōu)化設計，實現(xiàn)了一種在1.4 THz和2.9 THz 處理論吸收率達99.99%的雙波段太赫茲吸收器，在1.4 THz 處吸收率為85%，在3.0 THz處吸收率為94%。Wen 等人[9]設計了一種雙波段太赫茲吸收器，在0.50 THz 和0.94 THz 處吸收率可達99%。Ma 等人[10]設計了一種太赫茲雙波段吸收器，在2.7 THz 和5.2 THz 處吸收率約70%。Shen 等人[11-12]設計了一種太赫茲波段3 波段吸收器，在0.5 THz，1.03 THz 和1.71 THz 處吸收率優(yōu)于96%。鄒濤波等人設計了一種多波段太赫茲吸收器，在4.5 THz～5.7 THz 波段內吸收率優(yōu)于80%[13]。Cui 等人[14]實驗驗證了一種長波紅外寬波段吸收器，實現(xiàn)了7 μm～13 μm 波長范圍的寬波段近完美吸收。Cui 等人[15]設計了一種中波紅外寬波段吸收器，在3 μm～5.5 μm 波長范圍內垂直入射時吸收率大于95%。Ding 等人[16]設計了一種金字塔寬帶吸收器，在7.8 GHz 到14.7 GHz 范圍內，垂直入射時吸收率大于90%。在石墨烯動態(tài)調控方面，顧鈺等人[17]設計了一種太赫茲寬帶動態(tài)調節(jié)吸收器，實現(xiàn)了吸收率優(yōu)于90%，頻率范圍從2.04 THz～3.53 THz 和3.15 THz～4.24 THz 連續(xù)動態(tài)調節(jié)。Xiao等人[18]設計并驗證了一種基于石墨烯-垂直排列碳納米管雜化物的柔性超寬帶太赫茲吸波器，在0.2 THz～3.0 THz 范圍內平均功率吸收率為98.6%。Liu 等人[19]提出了一種基于二氧化釩-石墨烯混合結構的雙波段可調諧吸波器，通過改變二氧化釩金屬或介電狀態(tài)以及調節(jié)石墨烯費米能級，成功實現(xiàn)了在0.4 THz 處吸收率45.3%～94.5%和1.0 THz處吸收率31%～96.3%的動態(tài)調控。Zhang 等人[20]設計了一種具有波段切換能力的超材料完美吸收器，實現(xiàn)了500 nm～1 700 nm 波長范圍寬帶吸收和589 nm、1 097 nm 處雙波長窄帶吸收之間的波段切換，在500 nm～1 700 nm 范圍內寬帶吸收率優(yōu)于93%，在589 nm 和1 097 nm 處吸收率100%，具備極化獨立性和角度不敏感性。Bao 等人[21]利用圖案化石墨烯和多層膜系結構設計了一種具備調控能力的多波段石墨烯超材料吸波器，實現(xiàn)了在0.139 THz、0.415 THz、0.685 THz 和0.931 THz處的完美吸收，分析了石墨烯調控效能。Bao 等人[22]在多層膜系上對石墨烯層圖案化實現(xiàn)了4 波段角度不敏感的石墨烯超材料吸波器，在3.67 THz，4.73 THz，5.90 THz 和6.94 THz 處具備角度不敏感性的窄帶完美吸收效能。Wang 等人[23]設計了峰值可調控的石墨烯基多腔對波導系統(tǒng)，在5 μm～8 μm 紅外波段實現(xiàn)了多吸收峰值的有效調控。

綜上所述，目前太赫茲寬帶超材料吸波器結構大多集中在太赫茲高頻波段，存在高吸收率頻率范圍展寬較小、高吸收不連續(xù)等問題，典型太赫茲雷達工作頻段范圍內的寬帶超材料吸波器較少，石墨烯可作為調控手段實現(xiàn)對吸波帶寬的有效動態(tài)調控。本文針對典型太赫茲雷達工作頻率范圍0.1 THz～2 THz，設計了一種石墨烯太赫茲寬帶吸波結構，具有對0.1 THz-2 THz 范圍內入射太赫茲波連續(xù)吸收效率優(yōu)于80%的吸波效能，滿足太赫茲雷達對抗與隱身需求。

1 寬帶吸波結構設計

傳統(tǒng)超材料吸波結構通常為金屬/介質/金屬3 層結構形式，只有當表面金屬層結構、介質層和底面金屬反射層構成的等效諧振電路的等效阻抗與自由空間阻抗匹配時，才可實現(xiàn)特定頻率附近窄帶近完美吸收。超材料寬帶吸收主要利用多吸收峰的疊加吸收效應，由不同尺寸的表面層金屬結構在表面等離子元作用下實現(xiàn)多峰吸收。多峰吸收的疊加能否滿足設計要求取決于多吸收峰的吸收帶寬，,每個吸收峰的吸收帶寬又與介質層的厚度緊密相關。因此，要達到寬帶連續(xù)吸收性能要求，需要開展多尺度多分離層結構設計來實現(xiàn)。

1.1 基本吸波結構單元設計

為達到吸波頻率范圍動態(tài)可調控目的，在設計基本吸收結構單元時，在傳統(tǒng)的金屬/介質/金屬3 層結構基礎上，表面金屬層和介質層中間插入均勻單層石墨烯層作為調控層，從而構成金屬層/石墨烯層/介質層/底層金屬層的4 層基本吸波結構單元，如圖1 所示。

圖1 金屬/石墨烯/介質/金屬4 層基本吸波結構單元示意圖Fig. 1 Schematic diagram of four layers basic absorbing unit of metal/graphene/dielectric/metal

基本吸波結構單元的表面金屬層結構采用正方環(huán)形，材質選用鎳鎘合金，厚度為15 nm，色散模型使用金屬Drude 模型： ε(ω)=1-ω2p/(ω2+iωΓ)，等離子體頻率 ωp和電子碰撞頻率 Γ分別為2.90×1015rad/s 和1.65×1014Hz。上層的均勻單層石墨烯層厚度為0.334 nm，由于太赫茲波最短波長為30 μm，遠遠大于石墨烯層厚度，仿真時一般將石墨烯層厚度設置為1 nm，不會影響仿真結果。中間介質層采用聚酰亞胺，因為大部分非金屬材料在太赫茲波段損耗均極低，介電常數(shù)設置為3.5。底層金屬反射層選用鋁，厚度為2 μm，電導率為4×107S/m[17]。在表面等離子元作用下，表面金屬和底層金屬層形成金屬等效諧振電路，石墨烯層和底層金屬層形成石墨烯等效諧振電路，2 個等效諧振電路并聯(lián)形成金屬層/石墨烯層/介質層/底層金屬層對應的等效諧振電路，如圖2 所示。

圖2 等效諧振電路示意圖Fig. 2 Schematic diagram of equivalent resonance circuit

下面詳細闡述等效諧振電路參數(shù)推演方法[24]。

1） 表面金屬層結構參數(shù)確定

表面金屬層結構參數(shù)包括表面金屬層的結構形狀、結構尺度、層厚度，結構形狀選用正方環(huán)形，可增加結構尺度，內徑邊長為外徑邊長的3/4。表面金屬層的結構尺度與吸收頻率對應的吸收波長相關，設計為吸收波長的1/4，即：

表面金屬層厚度應小于金屬趨膚深度，設計為小于金屬趨膚深度的1/3，即：

2） 金屬等效諧振電路參數(shù)推演

基本吸收結構單元的吸收率由A=1-R-T計算得出。其中T代表透射率，R代表反射率，即：

Z0≈377 Ω為自由空間阻抗。因為底層金屬反射層具有足夠的厚度使透過率為零，吸收率僅與反射率有關，當Z=Z0時，可達到完美吸收效果A=1。等效電阻Z可以通過改變石墨烯層的偏置電壓進行調控，從而達到調控吸收頻率范圍的目的。

1.2 多尺度多分離層結構優(yōu)化

上述單一尺寸的基本吸收結構單元僅能實現(xiàn)設計波長的窄帶近完美吸收，還需進行多分離層優(yōu)化設計，以拓展吸收帶寬。由于表面等離子元效應受入射電磁波頻率影響，單一尺寸的寬帶吸收拓展能力有限，超寬帶吸收需要多尺度表面層金屬結構和多分離介質層結構共同完成。其中，多尺度表面金屬結構用于典型特征吸收頻率的近完美吸收，多分離層結構用于拓展多吸收峰的吸收帶寬，而每個基本結構單元的表面金屬層結構尺寸、多分離層的介質層厚度及層數(shù)等多個參數(shù)需要不斷嘗試，花費過多精力且效果較低。本文在吸收帶寬和吸收效率的約束下，利用智能優(yōu)化算法對多尺度、多分離層結構參數(shù)進行全局優(yōu)化，從而確定最終結構參數(shù)。基于遺傳算法多分離層結構優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 基于遺傳算法多分離層結構優(yōu)化流程Fig. 3 Flow chart of multi-layer structure optimization by genetic algorithm

為盡量降低工藝復雜度，對單一尺度基本吸波結構單元進行4 分離層結構設計。將每層的等效電阻 [Z1,Z2,Z3,Z4]、 等效電感 [L1,L2,L3,L4]、等效電容[C1,C2,C3,C4]、 介質層厚度 [d1,d2,d3,d4]構成的一維向量作為初始化參數(shù)，輸入至遺傳算法優(yōu)化程序中，即初始化參數(shù)para=[Z1,Z2,Z3,Z4,L1,L2,L3,L4,C1,C2,C3,C4,d1,d2,d3,d4]，遺傳算法輸出結果為優(yōu)化后各分離層的等效電阻、等效電感、等效電容和介質層厚度。

為實現(xiàn)“滿足0.1 THz～2 THz 波段范圍內吸收率優(yōu)于80%”的設計目標，項目組設計了以金屬層/石墨烯層/介質層/底層金屬層為基本結構單元的雙尺度4 分離層結構，共計25 層小層結構。其中，表面金屬層、石墨烯層和介質層均為8 層，底層金屬反射層為1 層。表面金屬層厚度為15 nm，石墨烯層厚度為1 nm，雙尺度4 分離層結構如圖4所示，各層具體結構參數(shù)見表1 所示。

圖4 雙尺度4 分離層結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of dual scale and four separation layers structure

表1 雙尺度4 分離層結構各層參數(shù)Table 1 Parameters of each layer of dual scale and four separation layers structure

2 太赫茲寬帶吸波結構吸收性能仿真與分析

2.1 單一尺度4 分離層結構吸收性能仿真

針對典型太赫茲雷達工作頻率0.14 THz、0.22 THz、0.58 THz、0.67 THz、1.14 THz、1.56 THz，對每個工作頻率進行4 分離層結構優(yōu)化，以明確單一尺度4 分離層結構的吸收性能，初始化參數(shù)由上述1.1 節(jié)等效諧振電路參數(shù)推演方法確定。

對應于太赫茲雷達工作頻率的表面金屬層方環(huán)形結構尺度分別為640 μm～480 μm，320 μm～240 μm，160 μm～120 μm，80 μm～60 μm，60 μm～40 μm，40 μm～20 μm，為描述方便，記為尺度1～尺度6。利用多分離層結構優(yōu)化流程，項目組采用matlab 軟件開發(fā)了多尺度多分離層結構優(yōu)化仿真程序，在0.1 THz～2 THz 頻率范圍內對多分離層結構參數(shù)進行全局優(yōu)化，并獲得優(yōu)化后尺度1～尺度6 的4 分離層結構的吸收率，如圖5 所示。從圖5 可以看出，尺度1 吸收率優(yōu)于80% 的頻率范圍為0.23 THz～0.3 THz，0.75 THz～0.82 THz，1.28 THz～1.35 THz，1.81 THz～1.86 THz；尺度2 吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍為0.63 THz～1.42 THz；尺度3 吸收率優(yōu)于80% 的頻率范圍為0.72 THz～1.62 THz；尺度4 吸收率優(yōu)于80% 的頻率范圍為0.72 THz～2 THz；尺度5 吸收率優(yōu)于80% 的頻率范圍為0.78 THz～2 THz；尺度6 吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍為0.56 THz～1.97 THz。由此可以得出以下結論：1） 單一尺度4 分離層結構的吸收性能均無法滿足0.1 THz～2 THz 頻率范圍內連續(xù)吸收率優(yōu)于80%的要求；2） 尺度1 在0.1 THz～0.5 THz范圍內的吸收率優(yōu)于尺度2～尺度6 的吸收率，吸收性能呈現(xiàn)周期性，尺度2～尺度6 在0.5 THz～2.0 THz 頻率范圍內吸收率優(yōu)于尺度1；3） 尺度2～尺度6 吸收率優(yōu)于80% 的頻率下限向低頻偏移。因此，通過合理的雙尺度4 分離層設計，拓展了尺度1 吸收率優(yōu)于80% 頻率范圍，并疊加尺度5 或尺度6 的吸收性能，可以實現(xiàn)0.1 THz～2 THz頻率范圍內吸收率優(yōu)于80%的設計目標。

圖5 單一尺度4 分離層結構吸收效率仿真Fig. 5 Absorption efficiency simulation of single scale and four separation layers structure

2.2 雙尺度4 分離層結構吸收性能仿真

從圖5 中單一尺度4 分離層結構吸收性能仿真結果可以看出，通過對雙尺度4 分離層結構優(yōu)化，有望滿足設計要求，因此，選用尺度1 和尺度6 為基本吸波結構單元進行雙尺度4 分離層結構優(yōu)化設計。由（1）式～（7）式獲得的尺度1 基本吸波結構單元等效諧振電路參數(shù)為：等效電阻300 Ω，等效電感2.25×10-17H，等效電容5.19×10-12F，介質層厚度200 μm。尺度2 基本吸波結構單元等效諧振電路參數(shù)為：等效電阻341 Ω，等效電感1.16×10-20H，等效電容3.32×10-10F 和介質層厚度19.1 μm。雙尺度4 分離層結構優(yōu)化的初始化參數(shù)利用對尺度1 和尺度2 的等效諧振電路參數(shù)進行擴展得到。雙尺度金屬層/介質層/底層金屬層4 分離層結構吸收率仿真結果如圖6 所示。

圖6 雙尺度金屬層/介質層/金屬層4 分離層結構吸收率仿真結果Fig. 6 Absorption efficiency simulation of dual scale and metal/dielectric/metal four separation layers structure

從圖6 中雙尺度4 分離層結構吸收率仿真結果可以看出，尺度1 的4 分離層結構在0.22 THz～0.85 THz 頻率范圍內吸收率優(yōu)于80%，尺度2 的4 分離層結構在0.62 THz～2.0 THz 頻率范圍內吸波率優(yōu)于80%。尺度1 吸收效率優(yōu)于70%的頻率范圍為0.12 THz～0.95 THz，主要貢獻在0.1 THz～0.9 THz 低中頻率范圍的吸收。尺度2 吸收率優(yōu)于70%的頻率范圍為0.5 THz～2 THz，主要貢獻在0.5 THz～2 THz 中高頻率范圍的吸收。在0.1 THz～0.12 THz 頻率范圍內，尺度2 吸收率優(yōu)于10%，疊加尺度1 的吸收效率后可達到吸收率優(yōu)于80%的設計要求。

2.3 石墨烯層對雙尺度4 分離層結構吸收性能的影響

以金屬層/介質層/底層金屬層為基本吸波結構單元進行雙尺度4 分離層結構吸收率仿真，結果見圖6 所示。從圖6 可以看出，即使不加入石墨烯層，依然可以達到吸收頻率范圍和吸收率的設計要求，石墨烯層的作用在于可實現(xiàn)對吸收頻率范圍的調控并提升部分吸收率。加入石墨烯層將改變金屬層/介質層/底層金屬層結構的等效諧振電路參數(shù)[4]，可根據(jù)（8）式～（18）式確定加入石墨烯后尺度1 和尺度2 金屬層/石墨烯層/介質層/底層金屬層基本吸波結構單元的等效諧振電路參數(shù)，并作為雙尺度4 分離層結構優(yōu)化的初始化參數(shù)。優(yōu)化后的雙尺度金屬/石墨烯/介質/金屬4 分離層結構的吸收率仿真結果如圖7 所示。

圖7 雙 尺 度 金 屬/石 墨 烯/介 質/金 屬4 分 離 層 結 構 吸 收 率仿真Fig. 7 Absorption efficiency simulation of dual scale and metal/graphene/dielectric/metal four separation layers structure

從圖7 可以看出，石墨烯層加入前后，吸波體結構的總體吸收性能大體一致，這是由于表面金屬層結構尺寸未發(fā)生明顯變化，仍然表現(xiàn)出對0.1 Thz～2 THz 頻率范圍入射電磁波具有很強的吸收特性。加入石墨烯層，使得吸波體結構的整體吸收性能在低頻和高頻的吸收帶寬范圍略有增加，即吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍略有拓寬，這是因為加入石墨烯層相當于增大了基本吸波結構單元的等效電感，使其吸收率進一步提升，吸收帶寬略有擴展。雖然石墨烯層在0.1 THz～2 THz 頻率范圍內調控效果并不明顯，其原因是該頻率范圍內，石墨烯層對基本吸波結構單元的等效諧振電路參數(shù)貢獻不大造成的，但可以預見在2 THz～10 THz太赫茲高頻波段調控效果將更為顯著。

將圖7 中雙尺度4 分離層吸波結構的兩條吸收曲線疊加后得到結構整體吸收率曲線，如圖8 所示。從圖8 可以看出，在0.1 THz～2 THz 范圍內100 個均勻頻率采樣點上，僅有0.1 THz 和0.119 THz這2 個頻率處吸收率低于80%，在0.138 THz、0.157 THz 和1.145THz 這3 個頻率處吸收率略小于1，其余96 個頻率點處吸收率均大于1，吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍為0.138 THz～2 THz，吸收率優(yōu)于97.46%的頻率范圍為0.157 THz～2 THz，在典型太赫茲雷達工作頻率0.14 THz 處吸收效率為92.27%，在0.22 THz、0.58 THz、0.67 THz、1.14 THz、1.56 THz處吸收效率為100%。因此，本設計較好地達到0.1 THz～2 THz 范圍內吸收效率優(yōu)于80% 的設計要求，可以滿足太赫茲雷達對抗與隱身需求。這里值得指出的是，圖8 是圖7 中兩種尺度4 分離層結構吸收效率曲線直接疊加后的吸收率曲線，因兩條吸收曲線吸收率優(yōu)于80% 頻率范圍存在重疊，導致吸收率相加大于1。若從單一工作頻率太赫茲雷達角度看，吸收率極值上限為1，圖8 中吸收效率大于1 區(qū)間的吸收率調整為1，即吸收率為100%。但在實際戰(zhàn)場環(huán)境中，尤其是分布式作戰(zhàn)時，若兩部工作頻率相同的太赫茲雷達在不同方向同時入射，圖8 中存在吸收率大于1 的頻率范圍便不難理解了，兩部太赫茲雷達的平均吸收率應為圖8 中吸收率的1/2。

2.4 入射角度和加工誤差對雙尺度4 分離層結構吸收性能的影響

前面分析了太赫茲波垂直入射時吸收率的仿真結果，若要滿足太赫茲雷達對抗與隱身需求，則設計結構還需在不同入射角度下均保持在較寬頻率范圍內具有高吸收率。因此，模擬太赫茲波在0°（垂直入射）、10°、20°、30°、40°、50°、60°等不同角度入射，對尺度1 和尺度2 的4 分離層結構及整體吸收效率進行仿真，結果如圖9～圖11 所示。

圖9 不同入射角度下尺度1 的4 分離層結構吸收率仿真Fig. 9 Absorption efficiency simulation of four separation layers structure in scale 1 at different incident angles

圖10 不同入射角度下尺度2 的4 分離層結構吸收率仿真Fig. 10 Absorption efficiency simulation of four separation layers structure in scale 2 at different incident angles

圖11 不同入射角度下雙尺度的4 分離層結構吸收率仿真Fig. 11 Absorption efficiency simulation of dual scale and four separation layers structure at different incident angles

從圖9～圖11 仿真結果可以看出，隨著入射角度的增加，尺度1 的4 分離層結構和尺度2 的4 分離層結構的吸收率曲線整體向高頻偏移，吸收率優(yōu)于80% 的頻率范圍略有減?。蝗肷浣窃?～30°范圍內時，入射角對尺度1 和尺度2 的吸收率曲線影響較小，整體吸收率基本保持一致；入射角在30°～60°范圍內時，尺度1 和尺度2 的吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍有所減小，頻率下限向高頻偏移，吸收率有所起伏，整體吸收率在低頻處逐步下降；在入射角小于40°時，吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍為0.176 THz～2.0 THz,吸收率接近100%的頻率范圍為0.2 THz～2 THz；當入射角為60°時，吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍為0.309 THz～2.0 THz，吸收率接近100%的頻率范圍為0.4 THz～2 THz。因此，在0～60°入射角范圍內，雙尺度4 分離層結構整體吸收率保持穩(wěn)定，吸收率優(yōu)于80%的頻率范圍差異不大，除了在0.14 THz 處入射角大于30°時和在0.22 THz 處，入射角大于50°時吸收效率低于80%外，在0.58 THz、0.67 THz、1.14 THz、1.56 THz處吸收效率均為100%，可以滿足太赫茲雷達對抗與隱身需求。不同入射角度下單尺度和雙尺度4 分離層結構吸收率見表2 所示。

表2 不同入射角度下單尺度和雙尺度4 分離層結構吸收率Table 2 Absorption efficiency of single scale and dual scale four separation layers structure at different incident angles

雙尺度4 分離層金屬層/石墨烯層/介質層/底層金屬層結構共計25 層小層，加工工藝復雜，加工精度往往會影響到結構吸收性能。本文分別對加工誤差正偏10%(結構尺寸正偏10%)和加工誤差負偏10%(結構尺寸負偏10%) 時雙尺度4 分離層結構的吸收率進行仿真，結果如圖12～圖15 所示。

圖12 加工誤差正偏10%條件下尺度1 和尺度2 的4 分離層結構吸收率仿真Fig. 12 Absorption efficiency simulation of scale 1 and scale 2 four separation layers structure at +10% machining errors

圖13 加工誤差正偏10% 條件下雙尺度4 分離層結構吸收率仿真Fig. 13 Absorption efficiency simulation of dual scale four separation layers structure at +10% machining errors

圖14 加工誤差負偏10%條件下尺度1 和尺度2 的4 分離層結構吸收率仿真Fig. 14 Absorption efficiency simulation of scale 1 and scale 2 four separation layers structure at -10% machining errors

從圖12～圖15 仿真結果可以看出，當加工誤差正偏10%時，尺度1 和尺度2 的4 分離層結構的吸收率曲線均向低頻偏移，整體吸收率曲線也向低頻偏移，吸收率基本一致；當加工誤差負偏離時，尺度1 和尺度2 的4 分離層結構的吸收率曲線向高頻偏移，整體吸收率曲線也向高頻偏移，吸收率基本一致。當加工誤差正偏離時，表面金屬層結構尺度變大，所對應的等效波長變大，頻率向低頻偏移；當加工誤差負偏離時，表面金屬層結構尺度變小，所對應的等效波長變小，頻率向高頻偏移。無論正偏還是負偏，均未對整體吸收率造成很大影響，其原因在于整體吸收率為多尺度結構的多重吸收疊加，對加工誤差不敏感。不同加工誤差下單尺度和雙尺度4 分離層結構吸收率見表3所示。通過以上分析可知，在實際加工過程中，加工誤差取決于最小加工精度，而尺度1 和尺度2 的結構尺度相差約20 倍，若以最小結構單元6.4 μm的10%(0.64 μm)為最小加工精度進行加工，加工誤差對雙尺度4 分離層結構的影響應在太赫茲高頻波段，尺度1 在高頻部分也存在高吸收率區(qū)間，可以彌補加工誤差帶來的影響。因此，結構尺度正負偏離10% 的加工誤差不會明顯影響雙尺度4 分離層結構吸收率。值得注意的是，基本結構單元中表面金屬層和石墨烯層的厚度為納米級，其作用在于保證顯著的表面等離子元效應，可不考慮其加工精度。

圖15 加工誤差負偏10% 條件下雙尺度4 分離層結構吸收率仿真Fig. 15 Absorption efficiency simulation of dual scale four separation layers structure at -10% machining errors

表3 不同加工誤差下單尺度和雙尺度4 分離層結構吸收率Table 3 Absorption efficiency of single scale and dual scale four separation layers structure at different machining errors

3 結論

本文針對典型太赫茲雷達工作頻率0.14 THz、0.22 THz、0.58 THz、0.67 THz、1.14 THz 和1.57 THz設計出了一種石墨烯太赫茲寬帶吸收結構，以表層金屬層/石墨烯層/介質層/底層金屬層為基本吸波結構單元，分別對單一尺度4 分離層結構和雙尺度4 分離層結構的吸收特性進行了仿真。設計的雙尺度4 分離層吸波結構在0.1 THz～2 THz 波段范圍內吸收率優(yōu)于80%，并可進一步向太赫茲高頻拓展吸收帶寬。同時仿真了石墨烯層對雙尺度4 分離層結構吸收特性的影響，以及不同入射角和加工誤差對雙尺度4 分離層結構吸收特性的影響。若輔助以靈活的石墨烯費米能級調控手段，有望實現(xiàn)高效吸收帶寬的動態(tài)調控，在典型太赫茲雷達工作頻率的吸收效率均優(yōu)于90%，一定程度上具備對入射角度和加工精度的不敏感性，可以達到對未來遠程太赫茲雷達的對抗與隱身目的。本文研究結果在太赫茲探測器、太赫茲天線、寬波段探測和多波段對抗與隱身等[25-34]方面也具有潛在的應用價值。