新型螺旋环超材料吸波体的设计及特性研究

《新型螺旋环超材料吸波体的设计及特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、螺旋环超材料太赫兹吸波器的响应原理及特性研究陈哲耕许向东†收稿日期：；修返日期：基金项目：国家自然科学基金（61071032,61377063,61235006,61421002）作者简介:陈哲耕(1992－),女(汉),湖北当阳人,在读硕士研究生，信息显示与光电技术专业．E-mail:181814233@qq.com†通讯作者(Correspondingauthor)：E-mail:xdxu@uestc.edu.cn；Tel：028-83208959谷雨敖天宏李欣荣戴泽林孙铭徽蒋亚东连宇翔王福（电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室

2、，四川成都610054）摘要：提出一种表层电磁谐振器呈螺旋环的超材料太赫兹吸波器。与常规的超材料吸波器不同，在材料的种类及厚度都不变的情况下，仅通过改变表面螺旋环的环数或环的起始和终止位置，就能有效地调节螺旋环超材料的太赫兹响应性能。研究发现，该超材料的响应频率的仿真值与驻波理论计算值基本吻合，说明螺旋环超材料的响应机理可以通过驻波理论解释、其响应频率具有可预计性。为了探究螺旋环超材料的响应机理，还比较研究了闭合圆环及开口圆环超材料吸波器的性能。结果表明，螺旋环、闭合圆环、开口圆环三种超材料吸波器具有部分类似的太赫兹响应性能。但是，与另外两种超材料不同

3、，螺旋环超材料的表层电磁谐振器是半径连续变化的螺旋环、具有更强的耦合作用以及更加简便和灵活的性能调节方式。研究成果对超材料的理论及设计研究有新的启示。关键词：螺旋环超材料；太赫兹吸波器；机理；特性中图法分类号:TB39　　　文献标识码:A1引言太赫兹（terahertz，简称THz）波是指频率在0.1-10THz、波长在3000-30μm范围内的电磁波，对应的光子能量为0.414-41.4meV[1]。太赫兹波介于红外和微波之间，具有其它波段不具备的特殊性质，如透视性、安全性以及高的时域频谱信噪比[2,3]等。因此，太赫兹技术在波谱[4]、生物医学与环

4、境科学[5]、传感技术[6]、通信技术[7]等领域具有广阔的应用前景。但是，由于缺少大功率的太赫兹源和高灵敏的探测器，导致太赫兹技术在很长一段时间内停滞不前，因此太赫兹波也被称为“太赫兹空隙（THzgap）”。超材料是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或材料[8]17。通过设计特定的结构或选择特殊的介质材料，可获得一些性能独特的器件，例如完美透镜[9]、电磁隐身衣[10]等。超材料的特性可以用有效介电常数和磁导率来表征，而有效介电常数和磁导率则可通过改变材料在特殊结构中的物理尺寸来调控[11]。近年，超材料吸波器（metamater

5、ialabsorbers，简称MAs）在太赫兹探测领域的研究成果引起了国内外广泛的关注。这是因为，与太赫兹响应较弱的天然材料相比，作为人工材料的超材料具有优良的太赫兹响应性能。2008年，Landy率先提出具有三层结构的超材料吸波器，在11.5GHz频率内对入射电磁波的吸收率接近100%[12]，由此揭开了三层超材料研究序幕。遗憾的是，这种超材料结构的底层为金属条，采用了套刻技术，增加了工艺难度。在此之后的研究中，大部分三层超材料的底层材料采用平面金属板[13]。众所周知，螺旋天线具有较高的增益和良好的圆极化性能，被广泛地应用在微波领域的无线设备的发射

6、端和接收端[14]。据此，我们设想：如果将螺旋天线贴片与超材料结构结合，利用螺旋环形状的特殊性，有望获得独特的太赫兹响应性能。我们注意到，Wang等人曾提出表面谐振器为不连续的螺旋环的太赫兹超材料滤波器[15]，并认为不连续的螺旋环使表面谐振器具有开口，而这种开口可等效为电容器，由此导致该超材料对特定波段的光具有滤波作用。但是，开口同时还使环上表面电流是断开的，使螺旋环超材料的响应规律及机理探究变得复杂。理论上，连续螺旋环可简化相关的机理探究。遗憾的是，目前为止，国内外还未见表面谐振器为连续螺旋环的超材料太赫兹吸波器的报道，人们对螺旋环吸波器的太赫兹响

7、应原理及特性规律也缺乏了解。重要的是，与传统的太赫兹超材料的繁琐调节方式不同[11]，通过调节连续螺旋环的参数，还有望对超材料的太赫兹响应性能进行更加简便、有效的调节。所以，本文关于表面连续螺旋环超材料的成果提供了超材料理论研究的新思路。2模拟方法为便于比较，本文采用传统的三层超材料结构，包括表层电磁谐振器、中间介质层及底层金属板。其中，本文设计的表面金属谐振器为螺旋环的超材料太赫兹吸波器，如图1所示。该超材料由铝和聚酰亚胺两种材料组成，主要因为这两种材料兼具密度低与制备简单的优势，将来可方便地应用在器件中。该超材料的结构参数包括：单元面积为a×a（a

8、=36μm)；介质层是厚度（h1）为8μm的聚酰亚胺（其介电常数为3.5，损耗角正切为2.7×