一种双波段太赫兹吸波器

李创辉 曾繁政 曾妍 莫瑜章

（1.贺州学院 建筑与电气工程学院，广西 贺州 542899；2.贺州学院 贺州市微波应用技术重点实验室，广西 贺州 542899）

0 引言

电磁超材料是一种具有亚波长尺寸的周期或非周期结构材料，其等效材料和媒质属性取决于所设计的单元参数及排列形式[1]。通过合理的设计，可获得负介电常数[2]、负磁导率[3]、负折射率等[4]天然材料中所不具有媒质特性。超材料吸波器具有小型化、质量轻等优点，在隐身技术、传感器等多领域存在应用价值，且自从landy等[5]提出完美吸波体后，超材料吸波器便成为国内外一个重要的研究热点。

本文设计了一种基于超材料的双波段太赫兹吸波器，该吸波器顶层由4个开缝的旋转对称梯形金属体和2条连接梯形体的金属方条构成，实现了在1.66THz和3.38THz双波段吸收，在1.66THz吸收率达到99.9%，在3.38THz吸收率达到99.8%。通过改变参数，分析不同结构参数对吸波器的影响。此外，该吸波器还具有极化不敏感和较宽入射角吸收良好的特点。

1 结构设计

所设计的双波段吸波器单元采用金属-介质-金属三层结构，单元结构周期p为30μm，单元结构底层和顶层采用有色金属铜，其电导率为5.8×107S/m，厚度t0均为0.2μm；介质层相对介电常数为3.5+0.2i，顶层金属由具有旋转对称的等腰梯形构成，梯形短边长L2为2μm，梯形长边长L1等于22μm，梯形两条腰与底边夹角θ成45°，沿梯形的高方向切去一条裂缝，缝宽w为0.36μm，缝长h为9μm，相对的两个梯形，用长L为6μm、宽w1为0.8μm的长方形金属体连接短边，其结构如图1所示。表1为该单元结构的参数和具体的取值。

表1 双波段吸波器单元结构参数表

图1 超材料双波段吸波器单元结构示意图

2 仿真结果

在CST2019上建立超材料单元结构模型，X方向和Y方向上设置unit cell边界条件，Z方向设置为open（add space）边界条件，设置电磁波沿着Z负方向传播，从所设计单元顶层进入。采用频域求解器进行求解，通过仿真得出超材料的S参数，由S参数可以计算出该超材料随频率变化的吸波情况。所设计结构的底层厚度为0.2μm有耗金属，远大于趋肤深度，从顶层入射的电磁波透过底层的部分可以近似等于0。因此，电磁波入射到超材料时，一部分电磁波在材料表面产生反射，一部分被吸收。设反射率为R(ω)，吸收率为A(ω)，则反射率R(ω)=，吸收率A(ω)=1-R(ω)，只要对单元结构进行合理设计，使超材料与大气层匹配，反射波趋于零，则可以实现完美吸收。对所设计的结构在1THz到4.5THz进行仿真，图2中给出了TE极化波和TM极化波在垂直入射时的仿真结果。对TE极化波，在1.66THz和3.38THz处有两个吸收峰，其吸收率分别为99.9%和99.8%，如图2(a)所示；对于TM极化波，如图2(b)所示，其结果与TE极化波相差很小，这是由于该吸波器结构具有对称性，同时也说明其具有极化不敏感性。

图2 TE 极化和TM 极化吸收率

如图3所示，在入射角度theta分别为0°、20°、40°、60°时，对TE极化波、TM极化波进行仿真。由图3(a)可知，在TE极化波下，入射角为40°时吸波器的吸收率大于95%，当入射角度增大到60°时，吸收率仍然具有80%以上。随着入射角度的增大，入射磁场的X分量逐渐减小，顶层金属不再能有效地激发更强的磁场，电磁吸收变得越来越弱[6]，当入射角度增大到80°时，吸收率迅速下降到45%以下。对于TM极化波，即使入射角增大到60°，整体吸收特性变化不大；当入射角度增大到80°时，仍具有88%以上的吸收率，但吸收频率有较大的蓝移。

图3 不同入射角条件下TE 极化吸波率

仿真中通过改变方条的宽度w和长度L（梯形整体往外或内移动），在电磁波垂直入射下，分析方条长宽变化对吸波器吸波特性的影响，如图4所示。由图4(a)可知，随着方条长度L从5μm增加到9μm，吸波器的吸收率变化很小，但低频段谐振频率具有明显的红移现象，表明通过改变L的长度可以调节低频谐振频段；随着w1增大，吸收率几乎保持不变，但谐振频率在两个频段均出现了轻微的蓝移，如图4(b)所示。

图4 方条宽度变化对吸波率影响

等腰梯形裂缝参数对吸波器高频段有重要的影响，为了更好地观察裂缝参数变化对吸波性能的影响，先将吸波器参数调整为w1=0.8μm，L=6μm，此时两个吸收峰吸收率分别达到最大的99.9%和99.8%。分别改变裂缝宽度w和长h，得到吸波器吸波特性随频率变化关系，如图5所示。由图5(a)可知，随着裂缝w宽度增加，吸波器吸收率明显下降，同时高频频段谐振频率具有明显的红移；随着h长度减小，吸波器吸收率显著减小，此时高频频段谐振频率具有明显的蓝移，如图5(b)所示。上述分析表明，h和w的变化，不仅影响高频谐振频段，同时发现不管h减小或是w增加，结构与自由空间的匹配程度均会降低，可见h和w参数变化对高频段阻抗匹配有重要的影响，可以通过合理调整h和w实现高频频段的完美吸收。

图5 方条长度变化对吸波率影响

3 机理分析

为了理解超材料吸波器产生两个吸波峰的原因，有必要了解超材料吸波器单元结构表面电流分布情况，而通过在吸收峰的频点处设置表面电流监控器，可以得到超材料顶层和底层金属层的表面电流分布，如图6所示。图6(a)给出了1.66THz处顶层表面电流分布，图6(b)给出了1.66THz处底层表面电流分布，图6(c)为3.358THz处顶层表面电流分布，图6(d)为3.358THz处底层表面电流分布。由图6可以发现，两个不同吸收峰激发的谐振电流区域不同，在1.66THz处，其顶层表面电流主要集中在中间的两个梯形相连接处，在3.358THz处顶层表面电流分布主要集中在旁边两个梯形的开口缝隙处。进一步地，在1.66THz和3.358THz处顶层表面电流与金属底层表面电流方向相反，从而在上下层金属之间形成类似于环形电流所产生的磁场，在上下层金属之间所产生的磁场与入射波磁场方向相反，介质层内部感应磁场与外加磁场相消，导致电磁波的吸收。

图6 双波段吸波器顶层金属和底层金属表面电流分布

4 结论

太赫兹吸波器在通讯、传感器及成像方法方面具有潜在的应用价值。本文设计的太赫兹吸波器，由4个旋转对称的梯形金属体和2条连接梯形体的长方形金属方条构成，通过在梯形金属体沿高方向开一裂缝，实现双波段吸收。该双波段太赫兹吸波器在1.66THz和3.358THz两个频段吸收率分别达到99.9%和99.8%。通过改变参数，分析不同结构参数对吸波器的影响发现，该吸波器还具有极化不敏感性和较宽入射角良好吸收性特点，为太赫兹吸波器设计提供有益参考。