一种工作在S-C波段的双频段可开关超材料吸收/反射器

徐建平，王佳云，杨荣草

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

超材料是一种周期阵列结构的人工材料，其介电常数和磁导率可以通过设计单元晶胞的几何尺寸和材料来调控，从而获得独特的超常特性，如负折射、逆多普勒效应、完美透镜等自然材料不具备的性质[1-3].2008年Landy等人首次提出了基于超材料的微波单频段完美吸收器[4]，该工作为后来各种超材料吸收器的研究奠定了坚实的基础.超材料吸收器通常由金属-介质基板-金属组成，通过利用介质基板的介质损耗和金属谐振器的欧姆损耗，超材料吸收器能够将特定频段的入射电磁波完美吸收.基于该吸收原理，通过设计不同的谐振结构和选择合适的衬底材料，各种单频段、双频段、多频段、宽频段以及柔性超材料完美吸收器相继被提出[5-10]，这些超材料吸收器在高性能天线、传感器以及热成像等领域具有广泛应用[11-13].

传统超材料吸收器在样品制作后，其几何参数和材料参数均无法改变，导致其峰值频率和吸收幅度都不可改变，这在一定程度上限制了超材料吸收器的应用范围.针对这一问题，人们提出了在超材料结构单元中加载变容二极管、嵌入石墨烯或利用相变材料作为介质基板等方法实现动态可调谐超材料吸收器[14-18].例如，Song等人提出了基于相变材料二氧化钒的宽频段幅度可调谐的超材料吸收器[14]；Gao等人提出了基于石墨烯的宽频可调谐超材料吸收器[16]；Zhao等人提出了插入变容二极管的单频段频率可调谐超材料吸收器[17]；Xu 等人通过在超材料单元结构中插入单个变容二极管，实现了多频段可调谐吸收[18].与动态可调谐吸收器不同，可开关超材料吸收器是能够选择性地将吸收峰的一部分或者全部开通或关闭，其实现方式主要是通过在结构中嵌入光敏硅、石墨烯、半导体二极管或注入液态金属[19-27].例如，Cheng等人通过在一个十字形结构的末端嵌入光导硅，在不同强度的光泵浦情况下实现了THz可开关的单频段超材料吸收器[19]；通过使用石墨烯作为谐振器，Ye等人实现了一种宽频可开关的THz超材料吸收器[21]；Zhu等人通过在两个相同的电谐振器之间加载半导体二极管，通过控制其偏置电压，实现了单频段的可开关吸收/反射器[22-23]；Xu等人通过在开口方形环和短金属线的组合结构中加载二极管也实现了单频段可开关吸收/反射器[24]；Ghosh等人通过在相邻的方形环间接入半导体二极管，实现了宽频段的可开关吸收/反射特性[25]；Kim等人通过在结构中注入液态金属实现了一种宽频带的可开关超材料吸收器[27].然而，上述的大部分可开关超材料吸收器都工作在单频段且需要较复杂的偏置网络.

本文中提出了一种工作在S-C波段的可开关双频段超材料吸收/反射器，该吸收/反射器由嵌入半导体二极管的两个大小不一样的空心花环状谐振器组成.相比于之前的可开关超材料吸收器，该吸收器采用了一种简单的馈电方式，并且能够在2～5 GHz范围内实现单频段、双频段完美吸收及完美反射之间任意切换而不影响其吸收峰位置和吸收率.同时，该结构还具有极化角不敏感和宽角入射特性，有望用于电磁隐身、生物传感器、反射器等领域.

1 结构设计

本文提出的可开关吸收器如图1 所示，其单元晶包由顶部的两个开口空心花环谐振器、Teflon介质基板、金属背板、作为隔离层的FR4介质板以及底层馈电线组成.其中，开口空心花环谐振器、金属背板和底层馈电线都是金属铜，其厚度为t=0.035 mm；电导率σ=5.8×107s/m；Teflon基板的介电常数为2.2;损耗正切值为0.001;厚度t1=0.65 mm；FR4的介电常数为4.4;损耗正切值为0.025;厚度t2=0.25 mm.金属内环和外环都是由形状相同大小不同的椭圆剪切而成，其椭圆短半轴和长半轴由小到大依次为：Rx1=2.0 mm，Rx2=3.2 mm，Rx3=4.9 mm，Rx4=5.6 mm，Ry1=6.4 mm，Ry2=7.6 mm，Ry3=9.3 mm，Ry4=10 mm；单元晶包边长a=18 mm；开口大小均为g=1.9 mm.

图1 吸收器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the proposed switchable absorber

为了研究该结构的吸收特性，本文采用基于有限元积分法的电磁仿真软件CST Microwave Studio 2015对该结构进行建模仿真，沿着X轴和Y轴方向均设置为unit cell边界，沿着Z轴方向设置open (add space)边界，电磁波沿着Z方向垂直入射到该吸收器，电场和磁场分别沿着Y轴和X轴偏振.由于本文提出的吸收器结构采用金属底板阻挡了电磁波的传输，故透射率T(ω)=0，这意味着可以通过该结构的反射参数来计算其吸收率，因此其吸收率可以表示为A(ω)=1-R(ω)，其中反射率R(ω)=|S11|2，S11为反射系数.

2 仿真结果和讨论

在仿真中，我们选用恩智浦公司生产的半导体二极管BA591作为开关并建模.该半导体二极管在导通和截至状态下都有一个串联电感，当施加正向偏置电压时开关处于导通状态，该二极管具有一个很小的正向电阻，单元结构等效为两个完整的花环；而施加反向电压时开关处于截止状态，此时二极管具有一个高电容和一个大电阻，此时单元结构等效为具有4开口的两个花环.由于在二极管不同状态下，谐振环的等效结构发生了改变，当电磁波入射到该吸收器上时，会在不同的频率处发生谐振，这意味着改变二极管的工作状态该吸收器可以实现吸收频率的切换.

仿真研究发现，在垂直入射情况下，当内、外环两组开关二极管G1和G2均处于截止状态时，4开口的内、外环形谐振器在X波段对入射电磁波发生响应，分别在8.2 GHz和11.82 GHz处形成两个反射谷，如图2(a)所示；当内、外环开关二极管G1和G2均处于导通状态时，内、外两个完整环形的谐振器在S-C波段对入射电磁波发生响应，分别在3.18 GHz和4.1 GHz处形成两个接近完美的反射谷，如图2(b)所示.这意味着，该结构在低频处所产生的两个吸收峰要比在高频处所产生的两个吸收峰的吸收率要高得多.因此本文将着重讨论S-C波段的可开关吸收特性.

图2 该结构处于高频和低频范围的反射系数Fig.2 The reflectance parameters of the structure in high frequency and low frequency range

当开关二极管G1,G2处于不同状态时该结构在S-C波段的吸收特性如图3 所示.

图3 G1,G2处于不同状态时吸收率Fig.3 Absorptivity under different states of G1 and G2

在电磁波垂直入射情况下，当内环二极管G1和外环二极管G2均处于导通状态时，该结构在3.18 GHz 和 4.1 GHz 完美吸收入射电磁波，其吸收率分别为99.6%和97.1%，如图3(a)圆形线所示；而当G1和G2均处于截止状态时，原有的两个吸收峰均被关闭，该结构在2～5 GHz范围内完美反射入射电磁波，如图3(a)菱形线所示；当G1处于截止状态而G2处于导通状态时，在4.1 GHz 处的吸收峰被完美关闭，而在3.18 GHz 处的吸收峰几乎不受任何影响，如图3(b)圆形线所示.同理，当G1处于导通状态而G2处于截止状态时，在3.18 GHz处的吸收峰被完美关闭而4.1 GHz处吸收峰几乎不受任何影响，如图3(b)菱形线所示.这表明可以通过控制嵌入在内环和外环处二极管的导通和截止状态，使该结构的两个吸收峰可以独立开关，从而实现单频段吸收、双频段吸收和完美反射之间的任意切换.

相对带宽也是描述吸收器性能的重要指标之一，相对吸收带宽定义为WRAB=2(fH-fL)/(fH+fL)，其中fH和fL分别为半吸收峰值所对应的上限频率和下限频率[8].由此可以计算出第一个吸收峰和第二个吸收峰的相对带宽分别为1.02% 和0.86%，这相较于先前报道的工作在相同频段的吸收器要窄[22]，这意味着该吸收器在应用于探测器和传感器等方面时有更大的优势.

为了进一步分析该吸收器的吸收机理，图4 给出了不同开关状态下该结构的表面电流分布图.当G1和G2均处于导通状态时，内环、外环分别与金属背板在3.18 GHz和4.1 GHz处对入射电磁波的磁场分量产生独立的磁响应，从而形成方向相反的环形表面电流，如图4(a)所示.而当G1截止而G2导通时，在所关注的频段内只有外环对入射电磁波产生磁响应；同样地，当G1导通而G2截止时，仅内环能够对入射电磁波产生响应，因此在这两种状态下，表面电流分别分布在外环和内环，如图4(b)和4(c)所示.由此可见，通过施加偏置电压使内环和外环二极管处于导通或者截止状态，可以分别控制内环和外环对入射电磁波的响应，从而能够独立地对两个吸收峰进行控制.

图4 不同开关状态下的表面电流分布Fig.4 Surface current distributions under different switching states

此外，我们研究了当电磁波垂直入射时，在不同偏振状态下该吸收器吸收性能.以双吸收峰为例，图5 给出了G1和G2均处于导通状态时该吸收器对不同极化的垂直入射电磁波的吸收率.

图5 垂直入射电磁波在不同极化角时该吸收器的吸收率Fig.5 Absorptivity for normal incidence of the EM wave with different polarization angles

由于设计的结构具有4重旋转特性，图5中仅给出了极化角从0°～45°的变化.从中可以看出，随着极化角从0°增加到45°，该吸收器的吸收峰频率及其吸收率基本不受影响.这表明本文所设计的吸收器具有极化角不敏感特性.

在实际应用中，通常情况下入射电磁波并不是完全垂直入射到吸收器表面，因此，具有宽角度入射特性是衡量一个完美吸收器的重要指标.图6 给出了当G1和G2均处于导通状态时TE和TM波斜入射时该结构的吸收率.从中可以看出，随着入射角的增加，该结构对于TE波和TM波的吸收率都有所降低，当入射角增加到60°时，对TE波的最低吸收率为72.4%，对TM波的最低吸收率为72.7%，都达到了70%以上.该结果表明本文提出的结构具有宽角度入射特性.

内环宽度W1和外环宽度W2对其吸收特性的影响如图7 所示.当内环宽度W1和外环宽度W2分别从0.55 mm增加到0.75 mm 时，内环宽度的增大使第二个吸收峰频率向低频移动且第一个吸收峰基本不受影响，如图7(a)所示；与内环宽度引起的变化相反，外环宽度的增大使第一个吸收峰频率向低频移动而第二个吸收峰基本不受任何影响，如图7(b)所示，这进一步验证了第一个吸收峰是由外环引起的而第二个吸收峰则是由内环所引起的.

图6 (a)TE波和(b)TM波斜入射该结构的吸收率Fig.6 Absorptivity for (b)TE wave and (b)TM wave under oblique incidence

图7 不同内环宽度W1和外环宽度W2时的吸收率Fig.7 The absorptivity for different inner ring width W1 and outer ring width W2

3 结 论

本文设计了一个由加载开关二极管的两个大小不一样的空心花瓣状谐振器组成的有源超材料吸收/反射器.通过控制二极管的导通和截止状态可分别控制内环和外环对入射电磁波的响应.该吸收器在S-C波段可实现单频段、双频段以及完美反射器之间的任意切换.当内环和外环二极管均处于导通状态时，该结构在3.18 GHz和4.1 GHz 处实现双频完美吸收，吸收率分别达到了99.6%和97.1%，相对带宽分别为1.02%和0.86%.当内环和外环二极管中一个处于截止状态而另一个处于导通状态时，该结构可在3.18 GHz 或4.1 GHz处实现单频完美吸收.当内环和外环二极管均处于截止状态时，该结构在 2～5 GHz 范围内完美反射入射电磁波.另外，本文所提出的吸收器具有极化不敏感和宽角吸收特性，因此该吸收/反射器有望用于单频段和双频段的电磁隐身、生物传感器、反射器等领域.