新型螺旋環(huán)超材料吸波體的設(shè)計(jì)及特性研究

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1、螺旋環(huán)超材料太赫茲吸波器的響應(yīng)原理及特性研究陳哲耕許向東?收稿日期：；修返日期：基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61071032,61377063,61235006,61421002）作者簡(jiǎn)介:陳哲耕(1992－),女(漢),湖北當(dāng)陽(yáng)人,在讀碩士研究生，信息顯示與光電技術(shù)專業(yè)．E-mail:181814233@qq.com?通訊作者(Correspondingauthor)：E-mail:xdxu@uestc.edu.cn；Tel：028-83208959谷雨敖天宏李欣榮戴澤林孫銘徽蔣亞?wèn)|連宇翔王福（電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2、，四川成都610054）摘要：提出一種表層電磁諧振器呈螺旋環(huán)的超材料太赫茲吸波器。與常規(guī)的超材料吸波器不同，在材料的種類及厚度都不變的情況下，僅通過(guò)改變表面螺旋環(huán)的環(huán)數(shù)或環(huán)的起始和終止位置，就能有效地調(diào)節(jié)螺旋環(huán)超材料的太赫茲響應(yīng)性能。研究發(fā)現(xiàn)，該超材料的響應(yīng)頻率的仿真值與駐波理論計(jì)算值基本吻合，說(shuō)明螺旋環(huán)超材料的響應(yīng)機(jī)理可以通過(guò)駐波理論解釋、其響應(yīng)頻率具有可預(yù)計(jì)性。為了探究螺旋環(huán)超材料的響應(yīng)機(jī)理，還比較研究了閉合圓環(huán)及開(kāi)口圓環(huán)超材料吸波器的性能。結(jié)果表明，螺旋環(huán)、閉合圓環(huán)、開(kāi)口圓環(huán)三種超材料吸波器具有部分類似的太赫茲響應(yīng)性能。但是，與另外兩種超材料不同

3、，螺旋環(huán)超材料的表層電磁諧振器是半徑連續(xù)變化的螺旋環(huán)、具有更強(qiáng)的耦合作用以及更加簡(jiǎn)便和靈活的性能調(diào)節(jié)方式。研究成果對(duì)超材料的理論及設(shè)計(jì)研究有新的啟示。關(guān)鍵詞：螺旋環(huán)超材料；太赫茲吸波器；機(jī)理；特性中圖法分類號(hào):TB39　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言太赫茲（terahertz，簡(jiǎn)稱THz）波是指頻率在0.1-10THz、波長(zhǎng)在3000-30μm范圍內(nèi)的電磁波，對(duì)應(yīng)的光子能量為0.414-41.4meV[1]。太赫茲波介于紅外和微波之間，具有其它波段不具備的特殊性質(zhì)，如透視性、安全性以及高的時(shí)域頻譜信噪比[2,3]等。因此，太赫茲技術(shù)在波譜[4]、生物醫(yī)學(xué)與環(huán)

4、境科學(xué)[5]、傳感技術(shù)[6]、通信技術(shù)[7]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于缺少大功率的太赫茲源和高靈敏的探測(cè)器，導(dǎo)致太赫茲技術(shù)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)停滯不前，因此太赫茲波也被稱為“太赫茲空隙（THzgap）”。超材料是指一類具有天然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或材料[8]17。通過(guò)設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)或選擇特殊的介質(zhì)材料，可獲得一些性能獨(dú)特的器件，例如完美透鏡[9]、電磁隱身衣[10]等。超材料的特性可以用有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來(lái)表征，而有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率則可通過(guò)改變材料在特殊結(jié)構(gòu)中的物理尺寸來(lái)調(diào)控[11]。近年，超材料吸波器（metamater

5、ialabsorbers，簡(jiǎn)稱MAs）在太赫茲探測(cè)領(lǐng)域的研究成果引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。這是因?yàn)椋c太赫茲響應(yīng)較弱的天然材料相比，作為人工材料的超材料具有優(yōu)良的太赫茲響應(yīng)性能。2008年，Landy率先提出具有三層結(jié)構(gòu)的超材料吸波器，在11.5GHz頻率內(nèi)對(duì)入射電磁波的吸收率接近100%[12]，由此揭開(kāi)了三層超材料研究序幕。遺憾的是，這種超材料結(jié)構(gòu)的底層為金屬條，采用了套刻技術(shù)，增加了工藝難度。在此之后的研究中，大部分三層超材料的底層材料采用平面金屬板[13]。眾所周知，螺旋天線具有較高的增益和良好的圓極化性能，被廣泛地應(yīng)用在微波領(lǐng)域的無(wú)線設(shè)備的發(fā)射

6、端和接收端[14]。據(jù)此，我們?cè)O(shè)想：如果將螺旋天線貼片與超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合，利用螺旋環(huán)形狀的特殊性，有望獲得獨(dú)特的太赫茲響應(yīng)性能。我們注意到，Wang等人曾提出表面諧振器為不連續(xù)的螺旋環(huán)的太赫茲超材料濾波器[15]，并認(rèn)為不連續(xù)的螺旋環(huán)使表面諧振器具有開(kāi)口，而這種開(kāi)口可等效為電容器，由此導(dǎo)致該超材料對(duì)特定波段的光具有濾波作用。但是，開(kāi)口同時(shí)還使環(huán)上表面電流是斷開(kāi)的，使螺旋環(huán)超材料的響應(yīng)規(guī)律及機(jī)理探究變得復(fù)雜。理論上，連續(xù)螺旋環(huán)可簡(jiǎn)化相關(guān)的機(jī)理探究。遺憾的是，目前為止，國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)表面諧振器為連續(xù)螺旋環(huán)的超材料太赫茲吸波器的報(bào)道，人們對(duì)螺旋環(huán)吸波器的太赫茲響

7、應(yīng)原理及特性規(guī)律也缺乏了解。重要的是，與傳統(tǒng)的太赫茲超材料的繁瑣調(diào)節(jié)方式不同[11]，通過(guò)調(diào)節(jié)連續(xù)螺旋環(huán)的參數(shù)，還有望對(duì)超材料的太赫茲響應(yīng)性能進(jìn)行更加簡(jiǎn)便、有效的調(diào)節(jié)。所以，本文關(guān)于表面連續(xù)螺旋環(huán)超材料的成果提供了超材料理論研究的新思路。2模擬方法為便于比較，本文采用傳統(tǒng)的三層超材料結(jié)構(gòu)，包括表層電磁諧振器、中間介質(zhì)層及底層金屬板。其中，本文設(shè)計(jì)的表面金屬諧振器為螺旋環(huán)的超材料太赫茲吸波器，如圖1所示。該超材料由鋁和聚酰亞胺兩種材料組成，主要因?yàn)檫@兩種材料兼具密度低與制備簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，將來(lái)可方便地應(yīng)用在器件中。該超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：?jiǎn)卧娣e為a×a（a

8、=36μm)；介質(zhì)層是厚度（h1）為8μm的聚酰亞胺（其介電常數(shù)為3.5，損耗角正切為2.7×