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基于分形结构的太赫兹超材料吸波体

2013-10-29张建民

关键词:分维反射系数吸收率

杨 娴,张建民

(陕西师范大学 物理学与信息技术学院,陕西 西安710062)

超材料是一种新型人工电磁材料,能够应用在很多领域,例如负折射现象[1-2]、完美透镜[3-4]、隐身衣[5-6]和天线的小型化[7]等.超材料独特的性质,对电磁波具有很好的调控作用.近几年,超材料在太赫兹(THz)设备中具有广阔的应用前景,尤其是超材料吸波体的研究,这种吸波体具有超薄的特点,克服了传统吸波体四分之一工作波长的限制,而且吸收效率很高.2008年Tao等人基于电磁谐振在太赫兹频段设计了一种超材料吸波体[8],吸收频带比较窄.随后,有学者设计出极化不敏感[9-10]、宽入射角[11]的超材料吸波体,但是多频、宽带超材料吸波体的研究比较少,而且结构单一.超材料吸波体依靠电磁谐振来吸收入射波,窄频带是制约吸波体应用和发展的重要因素,设计多频、宽带的吸波体具有重要的意义.分形的特点是整体与局部具有自相似性,分形结构在吸波体中应用比较少,在微波频段树枝状分形结构被应用在吸波体上[12],具有吸收率高、二维各向同性的优点.

本文把分形结构应用在太赫兹吸波体,研究分维数对吸收频点的影响,调节分维数可以实现吸收频点的移动.文中设计的吸波体具有双频带的特点,通过对多层结构的仿真优化,可实现宽频带吸收.这种将分形结构应用于超材料吸波体,丰富了吸波体的设计类型.

1 衬底厚度对吸波体的影响

图1 基于H型结构的吸波体以及电磁波的入射方向Fig.1 A absorber based on H-type structures and the direction of incident wave

H型分形结构如图1所示,H型结构周期排列在金属平板上面,中间是聚酰亚胺(polyimide)介质衬底.聚酰亚胺的相对介电常数为4.9,损耗角tanδ=0.004,衬底的厚度为t,线宽w=4μm,l1=30 μm,l2=24μm,周期结构的晶格长度为60μm,损耗金属的电导率σ=4.09×107S/m,金属厚度为200nm.吸波体的吸收率为A=1-|S11|2-|S21|2,其中S11和S21分别表示反射系数和透射系数,由于底层是金属平板,电磁波不能透过吸波体,故S21=0.利用商业软件CST Microwave Studio对吸波体进行电磁仿真,电磁波垂直入射到吸波体表面,改变衬底厚度t,仿真得到不同衬底厚度时的反射系数S11如图2所示.

图2 反射系数随衬底厚度的变化Fig.2 The change of reflection coefficient with different substrate thickness

基于H型结构的吸波体出现双频带吸收特性,第一谐振点A的反射系数随着衬底厚度的增加逐渐降低,吸收频点逐渐向高频移动,在衬底厚度为5.4μm时反射系数为0.037 7,吸收率最高.第二谐振点B的反射系数随着衬底厚度的减小逐渐降低,吸收频点逐渐向高频移动,在衬底厚度为1.4μm时反射系数几乎为0,达到最大吸收效果.如图3所示,衬底厚度为1.4 μm,在0.82THz,A点的吸收率为18%,在3.72THz,B点的吸收率达到99.9%.

图3 衬底厚度为1.4μm吸波体的吸收率Fig.3 The absorptivity of the absorber when substrate thickness is 1.4μm

当衬底厚度为1.4μm时,其他参数保持不变.如图4所示,在0.82THz时长金属线表面形成电偶极子,它与金属平板相互耦合,在金属平板上形成反向电流,从而产生电磁响应,电磁响应是第一谐振点A出现的主要原因.如图5所示在3.72THz短金属线与金属平板的电流方向相反,调节polymider的厚度t,电响应和磁响应实现了复合结构与自由空间的近似阻抗匹配,从而导致第二谐振点B的出现,并且达到极高的吸收率.

图4 在0.82THz时H型结构的表面电流分布(a)和金属平板的表面电流分布(b)Fig.4 The surface current distribution of H-type structure(a)and the metal plate(b)in 0.82THz

图5 在3.27THz时H型结构的表面电流分布(a)和金属平板的表面电流分布(b)Fig.5 The surface current distribution of H-type structure(a)and the metal plate(b)in 3.27THz

2 分维数对吸波体的影响

分维数是衡量分形结构的重要参数,分维数定义为

其中N是次级H的数目,S是次级H缩小的比例.我们所设计的分形结构N=4,S=0.5,调节S从而改变分维数D的大小.如图6所示,随着分维数的增加,第二个吸收峰B点逐渐向高频移动,可以调节分维数的大小,设计不同频点的吸波体.值得注意的是出现了新谐振点C,如图7所示在5.6THz时吸波体的表面电流分布,由于次级H的变小,在H型结构表面形成了LC谐振,对电磁波有一定的吸收效果.

图6 反射系数随分维数的变化Fig.6 The change of reflection coefficient with fractal dimension

图7 在5.6THz时吸波体表面的电流分布Fig.7 The surface current distribution of the absorber in 5.6THz

3 宽带吸波体的设计

单层结构吸收频带比较窄,为了增大吸波体的带宽,可以采用多层分形结构以增加吸波体的带宽,调节每层结构之间的间距,可以实现自由空间与吸波体的阻抗匹配.如图8所示,相邻结构之间的间距分别为h1、h2、h3,通过仿真优化,双层结构的h1=0.8μm,h2=2.3μm、在2.97~3.17THz之间吸收率达到了97%,三层结构的h1=0.6μm,h2=0.4 μm,h3=2.7μm,在2.83~3.17THz之间吸收率达到了97%.单层结构的吸波体几乎集中在一个吸收频点,而双层和三层结构明显拓宽了吸收频带(图9).

图8 不同层叠的介质厚度Fig.8 The dielectric thickness in different layers

图9 双层结构和三层结构的吸收率Fig.9 The absorptivity for 2-layers and 3-layers structures

4 结语

在太赫兹频段首次把分形结构应用于超材料吸波体,设计出一种双频带吸波体,调节衬底厚度可以实现吸波体与自由空间的近似阻抗匹配.随着分维数的增加,第二个吸收峰B点逐渐向高频移动,吸收效率几乎保持不变,通过调节分维数,可以设计不同谐振频率的吸波体.由于单层结构吸波体的频带比较窄,本文对双层结构和三层结构进行仿真优化,实现了宽频带吸收体.

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