微带方形开口环的高效太赫兹波吸收器研究

程 伟，李九生，孙 超

（中国计量学院 信息工程学院，浙江 杭州 310018）

太赫兹波是指频率在0.1～10THz（30～3000μm）范围内的电磁波，其波段介于微波和红外线之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要电磁波段.太赫兹波在物理、天文学、生命科学、生物传感、医药科学、卫星通信和无线通信等众多领域，均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景［1-3］.太赫兹波实际应用的关键之一是实现对太赫兹波高效、高灵敏度的探测，这就要求有高效率的太赫兹波吸收器.当前国内外对太赫兹波吸收器已开展了一些研究.H.Tao［4］于2008年利用微加工技术在半绝缘GaAs表面制作了开口谐振环（SRRs）结构吸收器，谐振频率位于1.3THz，吸收率达到0.7.同年，H.Tao［5］在柔性聚酰亚胺基底上制备厚度为16μm SRRs结构，对频率为1.6THz的太赫兹波实现0.97的吸收率.Landy［6］提出了十字架形结合四开口SRRs方形结构的太赫兹波吸收器，金属部分采用了锑（30nm）、铂金（40nm）、金（200nm）三层结构，实验证实在1.145THz处，吸收率达到0.77.2009年，Shchegolkov［7］提出了结构更简单，更容易制备的渔网型太赫兹吸收器，能够对某一方向的太赫兹波实现完全吸收.除了单频吸收器、双频以及多频吸收器同样受到学术界的关注.利用双谐振的SRRs电谐振器，H.Tao［8］实现了具有两个吸收带的太赫兹吸收器，在1.4THz和3.0THz两个频率点的吸收率分别为0.85和0.94.2012年，Alves［9］设计了一种方块形周期性结构的宽带太赫兹波吸收器，该吸收器的正面和背面结构均采用了金属铝，基体选用了二氧化硅材料，在4THz附近吸收率达到了0.98，带宽为2.5THz.

本文提出了一种基于微带方形开口环结构的太赫兹波吸收器，并针对该吸收器提出了相应的等效电路模型.利用等效电路模型计算出所需吸收频段太赫兹波吸收器的尺寸参数，设计出接近完美吸收的太赫兹波吸收器，大大减少设计过程中的工作量.测试结果表明，该吸收器在0.575THz处吸收率达到0.993，实现了对太赫兹波的完美吸收.该吸收器在电磁波吸收、隐身技术、相位成像、光谱检测以及热发射等领域，均具有十分重要的应用前景.

1 吸收器结构及其等效电路模型

本文提出的基于微带方形开口环结构的太赫兹波吸收器采用三层结构，包括顶层方形开口环、中间高阻硅基体和底层金属板，结构单元如图1.图1（a）是基体上表面结构单元图，图1（b）是结构单元截面图，整个吸收器由该结构单元按50×50个周期性排列在高阻硅基体上表面组成.

图1 吸收器结构单元Figure 1 Structural unit of the absorber

针对该结构提出其等效电路模型如图2.

图2 吸收器等效电路Figure 2 Equivalent circuit of the absorber

根据等效电路计算得到该结构单元的谐振频率［10－12］为：

式（1）中，LM是电感，它可由下式计算：

其中，μ0是真空磁导率，ρ＝（w＋g）／［l－（w＋g）］为占空比，lavg＝4［l－2（w＋g）］是2个环边长的平均值，l是最外侧环的长度，w是金属的线宽，g是相邻两环间的距离.

式（1）中，CM为电容，计算式如下：

其中，C0为环间的电容公式［13］，计算公式为：

其中，ε0是真空中介电常数，（εr，h，w，g）是有效介电常数.K 是第一类椭圆积分，k＝g／（g＋2 w）.

考虑到导体和介质的能量损耗，存在一个阻抗记为RM，

其中，R0是单位长度的阻抗，R0＝（ρc／ws），ρc为金属电阻率，s是金属环宽度.将式（2）看成LM＝L0lavg（ρ）形式，其中L0是单位长度的感抗，L0＝μ0［14］.与CM并联的分流电阻RN，可表示为：

其中，σd为金属电导率.

在本文设计中，初始设置吸收器结构单元的尺寸为：l＝70μm，g＝5μm，w＝5μm，h＝350μm，s＝1μm，t＝2μm，d＝6μm，a＝80μm.由式（1）～（6）计算得到：LM＝8.304×10－9H，CM＝1.101×10－17F，RM＝1.8Ω，RN＝6.1×106Ω.对该电路进行advanced design system（ADS）仿真验证，计算结果如图3.由图可知该电路的谐振频率点为f＝0.590THz，该频率点的透射（T）为0，反射（R）为0.004，吸收（A）为0.996，带宽为22GHz，这说明该结构有很高的太赫兹波吸收效率.计算获得该结构的介电常数和磁导率曲线如图4.由图4可见，在0.590THz处该结构的有效介电常数为8.21＋0.04i，有效磁导率为7.98＋0.02i.因此，在0.590THz处的归一化有效阻抗值为0.986－0.001i，非常接近空气的归一化阻抗值1，表明这种结构在该频率点与周围空间的阻抗匹配比较完美.

图3 吸收器曲线仿真结果Figure 3 Simulated results of the absorber

图4 介电常数和磁导率曲线Figure 4 Curves of the effective permittivity and permeability

2 测试结果分析与讨论

加工制作的吸收器实物如图5.利用FTIR仪器（傅氏转换红外线光谱分析仪）对加工样品进行测试，测试结果如图6.从图中可见，测试样品的吸收中心频率点位于0.575THz处，该点的吸收率为0.993，反射率为0.007，透射率为0，吸收器带宽测试值为29GHz.测试曲线在非中心频率点有轻微的抖动，这是由于加工样品的局部断开、轻微毛刺现象及测试中存在的一定误差所致.吸收器仿真曲线如图3.仿真结果表明吸收器的中心频率点位于0.590THz处，在该点的吸收率为0.996，反射率为0.004，透射率为0.将测试结果与仿真结果相比较，两条吸收曲线走势大致相同，中心频率点相差0.015THz，其主要原因是在设计吸收器的仿真计算过程中使用的电磁环境是理想状态，而在实际测试时是无法获得理想电磁状态的，同时测试过程中测试仪器接头会引入阻抗不匹配因素，也会造成实际的测试结果与仿真的结果有一点差异.总体来说，仿真与测试结果相吻合，这说明利用所提出的该等效电路模型可以很好地设计太赫兹波吸收器结构，并预测相应的吸收频率、吸收效率等指标参数，达到了预期效果.

3 结 语

本文设计了一种基于微带方形开口环结构的高效率太赫兹波吸收器，在0.575THz处对太赫兹波吸收率达到0.993.利用等效电路模型完成了器件的设计、加工与测试.实验测试和仿真结果基本相吻合，验证了该等效电路模型的正确性和有效性.提出的等效电路模型可以为精确地设计特定要求的吸收器提供一定的理论依据，大大减少设计过程中的工作量.

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