超薄柔性透射型超构材料吸收器*

杨鹏 秦晋 徐进 韩天成

(西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715)

设计并加工了一种超薄柔性透射型吸收器,总体厚度为0.288 mm,可实现柔性弯曲,容易做到与曲面目标共形.该吸收器由三层结构组成,底层是金属光栅,中间为介质层,表面单元由两条平行放置的尺寸不同的金属线组成.仿真和实验结果表明,对横电波在5和7 GHz的吸收分别达到97.5%和96.0%,对横磁波在3.0―6.5 GHz都能保持90%以上的透射率.两个吸收频点可分别独立调节,增加了设计的灵活性.另外,当入射角增大到60° 时,该吸收器的性能基本不受影响,表现出良好的广角特性.

1 引言

近年来,超构材料吸收器（metamaterial absorber,MA）由于具有结构薄、效率高、频带可调等优势受到了广泛关注,在能量收集[1]、生物传感[2]、亚波长成像[3]、选择性热辐射[4]、光电探测[5]、偏振调控[6]等方面有重要的应用前景.Landy等[7]首次提出的完美超构材料吸收器 (prefect metamaterial absorber,PMA)由表层金属谐振环(electric ring resonators,ERRs）、中间的介质层以及底部的金属线组成,该结构在单频点对横磁(transverse magnetic,TM) 波实现了高效吸收,对横电 (transverse electric,TE) 波几乎完全反射.随后,超构材料吸收器的研究拓展到了不同的频段,如微波段[8-11]、太赫兹[12-16]、红外[17,18]以及可见光[19,20]频段.与此同时,单频吸收器也被拓展到了双频[21]、三频[22]、多频[23]以及宽频[24].其中,双频吸收器近年来受到了足够重视并得到了广泛研究[25-32].Wen等[21]通过设计表层金属开口谐振环(electric split-ring resonator,ESRR)、中间的介质以及金属底板的三层结构首次实现了双频吸收器.随后,基于双方形环单元[25]、非对称十字型单元[26]、开口谐振环单元[27,28]、非对称T型单元[29]、人工介质单元[30]、缺角方形环单元[31]、圆环形单元[32]的双频吸收器相继被报道.然而,到目前为止,几乎所有的吸收器的底层都是一层金属底板,导致电磁波无法透过 (只能被吸收或反射),因此在有通信需求的应用中受到限制.

本文提出了一种极化控制的透射型双频吸收器,对TE波能够实现高效吸收,而对TM则能够高效透射.在 5 GHz和 7 GHz两个频点,对TE波的吸收分别达到97.5%和96.0%,对TM波的透射分别达到97.2%和94.7%.实验结果和仿真结果一致,验证了设计的正确性.由于所提出的结构总体厚度只有0.288 mm,可实现柔性弯曲,容易做到与曲面目标共形.另外,该吸收器具有宽入射角特性,即便入射角增大到60°,对TE波的吸收和TM波的透射仍然能够保持在90%以上.本文提出的透射型吸收器在有通信需求的场合有重要应用前景.

2 结构设计

本文提出的透射型双频吸收器如图1(a)所示,由三层结构组成,底层是金属光栅,中间为介质层,表面金属层的单元由两条平行放置的尺寸不同的金属线组成.该吸收器对一种极化的入射波实现高效吸收,而对另一种极化的入射波实现高效透射.其基本结构单元如图1(b)所示,上下层的金属线均是厚度为17 μm 的铜,中间的介质层是聚四氟乙烯(F4B-2),厚度为0.254 mm,相对介电常数为2.65,损耗角正切值为0.002.单元结构沿x和y方向的周期分别是P=13.82 mm和l3=19.87 mm.底层金属光栅的金属线宽为w3=3.76 mm,表面的两条金属线长度分别为l1=18.8 mm和l2=13.3 mm,宽度分别为w1=1.94 mm和w2=2.22 mm,且两条金属线的几何中心分别位于P/4和3P/4处.

3 数值模拟与实验结果分析

基于有限元方法对提出的透射型双频吸收器进行仿真验证.仿真中将x和y方向的边界条件均设置为周期边界条件,采用平面电磁波作为入射激励源.规定入射波的电场方向垂直于xz平面时为TE波,平行于xz平面时为TM波.通过优化结构参数,可以调控该吸收器的等效介电常数和等效磁导率,使二者接近一致,从而与空气界面满足阻抗匹配条件,实现对电磁波的吸收.吸收率A可表示为A(ω)=1-T(ω)-R(ω),其中 ω 表示入射电磁波的角频率,T (ω) 表示能量透射率,R (ω) 表示能量反射率.

为验证设计的正确性,我们进行了加工测试.测试装置如图2(a)所示,发射喇叭天线发射电磁波照射到样品表面,同侧的接收喇叭天线接收反射波从而测出反射系数,背后的接收喇叭天线接收透射波从而测出透射系数,测试环境照片如图2(b)所示.加工样品的实物照片如图2(c)所示,样品的几何尺寸为 397.4 mm × 414.6 mm,由 20 × 30阵列单元组成.测试和仿真结果如图2(d)所示,二者符合较好,吸收频点出现微小平移有两个原因：一是加工误差; 二是仿真中考虑的是理想的无限大周期结构,而实际加工的结构为有限尺寸.可以看出,对TE波的双频吸收接近于1,对TM波在3—9 GHz整个频段透射率都达到90%以上.因此,本文结构实现了对TE波的高效吸收和TM波的高效透射.

为深入理解本文结构对TE波的电磁吸收机理,模拟在两个共振频点处的电场和磁场分布.图3(a)和图3(b)分别对应频点f=5 GHz和频点f=7 GHz的电场分布.可以看出,低频点的吸收是因为较长的金属条发生了谐振,而高频点的吸收是因为较短的金属条发生了谐振.激发的电场主要集中在金属线的上下两端,表明金属线和底部金属线上产生了一对反向平行的电流[33],从而形成了磁矩,该磁矩与入射波的磁场相互作用产生磁谐振[34],这就解释了在两个共振频点所观察到的高吸收率.在两个共振频点处的磁场分布如图3(c)和图3(d)所示,可以看出,磁场被局限在两层金属之间的电介质层内,从而电磁能量也就被限制在电介质层内,几乎不发生反射.

图1 (a) 超薄柔性透射型双频吸收器的效果示意图; (b)基本单元结构示意图Fig.1.(a) Schematic demonstration of the proposed ultrathin flexible transmission dual-band absorber; (b) schematic diagram of the basic unit structure.

图2 (a) 实验装置示意图; (b)测试环境照片; (c) 加工实物照片; (d)仿真和实验结果Fig.2.(a) Schematic demonstration of experimental setup; (b) photograph of experimental setup; (c) photograph of the fabricated sample; (d) simulated and measured results.

考虑到在实际应用中,空间传输的电磁波常常来自于不同的方向,这就要求吸收器具有广角特性.为了考察所提出的结构在不同入射角度下的性能表现,本文分别模拟了TM波的透射谱和TE波的吸收谱,结果如图4(a)和图4(b)所示.对TM波而言,不同角度入射时的透射谱如图4(a)所示,可以看到,随着入射角度的增大,透射率始终保持在90%以上.当入射角达到60° 时,在3—9 GHz频段范围内的透射率高达98%以上.对TE波,当入射角达到60° 时,双频点的吸收率均能保持在90%以上.另外,由于所提出的结构总体厚度只有0.288 mm,可实现柔性弯曲,容易做到与曲面目标共形,如图4(a)中的插图所示.由前面的分析可知,本文提出的结构具有良好的广角特性,对于已覆盖吸波材料的圆柱形物体,当平面电磁波照射到物体表面时,可以等效为不同角度的电磁波斜入射情况.因此可以预期,包裹了吸波材料的圆柱形物体具有良好的吸波性能,这就使得本文提出的吸波结构具有更广阔的应用前景.

图3 电场分布 (a) f=5 GHz,(b) f=7 GHz; 磁场分布(c) f=5 GHz,(d) f=7 GHzFig.3.The electric field distributions at (a) f=5 GHz and(b) f=7 GHz,respectively; the magnetic field distributions at (c) f=5 GHz and (d) f=7 GHz,respectively.

最后,讨论结构参数l1和l2对吸收频点的调节作用.当l2保持不变,l1从19.4 mm减小到18.2 mm时,TE波的吸收和TM波的透射如图5(a)所示.可以看到,低频点吸收峰逐渐向高频移动且始终保持较高吸收( ＞ 95%),然而,高频点吸收峰和TM波的透射几乎不受影响.当l1保持不变,l2从14.3 mm减小到12.3 mm时,TE波的吸收和TM波的透射如图5(b)所示.可以看到,高频点吸收峰逐渐向高频移动且始终保持较高吸收( ＞ 95%),而低频点吸收峰和TM波的透射也同样不受影响.以上分析表明,双频吸收峰可以各自独立调节,这就给设计带来了极大的灵活性.

图4 (a) TM波随入射角度变化的透射谱,插图为弯曲的加工样品覆盖在圆柱形物体表面; (b) TE波随入射角度变化的吸收谱Fig.4.(a) Transmission spectra for TM wave with the change of incident angle,the inset shows the curved sample covered on the surface of a cylindrical object; (b) the absorption spectra for TE wave with the change of incident angle.

图5 (a) TE波的吸收和TM波的透射随l1的变化; (b) TE波的吸收和TM波的透射随l2的变化Fig.5.(a) The absorption of TE wave and transmission of TM wave with the change of l1; (b) the absorption of TE wave and transmission of TM wave with the change of l2.

4 结 论

本文提出了一种极化控制的透射型双频吸收器,能够实现对TE波的高效吸收和TM波的高效透射,这一特性为其在通信、滤波、传感等方面的应用提供了更大的灵活性.实验结果与仿真结果符合较好,验证了设计的正确性.其次,该结构具有宽入射角特性,当入射角增大到60° 时,对TE波的吸收和TM波的透射依然能够保持在90%以上.另外,该双频吸收器具有超薄的结构,可实现柔性弯曲,容易做到与曲面目标共形.以上特性使得本文提出的吸波结构具有广阔的应用前景.