超薄柔性透射型超構材料吸收器*

楊鵬 秦晉 徐進 韓天成

(西南大學物理科學與技術學院，重慶 400715)

設計并加工了一種超薄柔性透射型吸收器,總體厚度為0.288 mm,可實現柔性彎曲,容易做到與曲面目標共形.該吸收器由三層結構組成,底層是金屬光柵,中間為介質層,表面單元由兩條平行放置的尺寸不同的金屬線組成.仿真和實驗結果表明,對橫電波在5和7 GHz的吸收分別達到97.5%和96.0%,對橫磁波在3.0―6.5 GHz都能保持90%以上的透射率.兩個吸收頻點可分別獨立調節,增加了設計的靈活性.另外,當入射角增大到60° 時,該吸收器的性能基本不受影響,表現出良好的廣角特性.

1 引言

近年來,超構材料吸收器（metamaterial absorber,MA）由于具有結構薄、效率高、頻帶可調等優勢受到了廣泛關注,在能量收集[1]、生物傳感[2]、亞波長成像[3]、選擇性熱輻射[4]、光電探測[5]、偏振調控[6]等方面有重要的應用前景.Landy等[7]首次提出的完美超構材料吸收器 (prefect metamaterial absorber,PMA)由表層金屬諧振環(electric ring resonators,ERRs）、中間的介質層以及底部的金屬線組成,該結構在單頻點對橫磁(transverse magnetic,TM) 波實現了高效吸收,對橫電 (transverse electric,TE) 波幾乎完全反射.隨后,超構材料吸收器的研究拓展到了不同的頻段,如微波段[8-11]、太赫茲[12-16]、紅外[17,18]以及可見光[19,20]頻段.與此同時,單頻吸收器也被拓展到了雙頻[21]、三頻[22]、多頻[23]以及寬頻[24].其中,雙頻吸收器近年來受到了足夠重視并得到了廣泛研究[25-32].Wen等[21]通過設計表層金屬開口諧振環(electric split-ring resonator,ESRR)、中間的介質以及金屬底板的三層結構首次實現了雙頻吸收器.隨后,基于雙方形環單元[25]、非對稱十字型單元[26]、開口諧振環單元[27,28]、非對稱T型單元[29]、人工介質單元[30]、缺角方形環單元[31]、圓環形單元[32]的雙頻吸收器相繼被報道.然而,到目前為止,幾乎所有的吸收器的底層都是一層金屬底板,導致電磁波無法透過 (只能被吸收或反射),因此在有通信需求的應用中受到限制.

本文提出了一種極化控制的透射型雙頻吸收器,對TE波能夠實現高效吸收,而對TM則能夠高效透射.在 5 GHz和 7 GHz兩個頻點,對TE波的吸收分別達到97.5%和96.0%,對TM波的透射分別達到97.2%和94.7%.實驗結果和仿真結果一致,驗證了設計的正確性.由于所提出的結構總體厚度只有0.288 mm,可實現柔性彎曲,容易做到與曲面目標共形.另外,該吸收器具有寬入射角特性,即便入射角增大到60°,對TE波的吸收和TM波的透射仍然能夠保持在90%以上.本文提出的透射型吸收器在有通信需求的場合有重要應用前景.

2 結構設計

本文提出的透射型雙頻吸收器如圖1(a)所示,由三層結構組成,底層是金屬光柵,中間為介質層,表面金屬層的單元由兩條平行放置的尺寸不同的金屬線組成.該吸收器對一種極化的入射波實現高效吸收,而對另一種極化的入射波實現高效透射.其基本結構單元如圖1(b)所示,上下層的金屬線均是厚度為17 μm 的銅,中間的介質層是聚四氟乙烯(F4B-2),厚度為0.254 mm,相對介電常數為2.65,損耗角正切值為0.002.單元結構沿x和y方向的周期分別是P=13.82 mm和l3=19.87 mm.底層金屬光柵的金屬線寬為w3=3.76 mm,表面的兩條金屬線長度分別為l1=18.8 mm和l2=13.3 mm,寬度分別為w1=1.94 mm和w2=2.22 mm,且兩條金屬線的幾何中心分別位于P/4和3P/4處.

3 數值模擬與實驗結果分析

基于有限元方法對提出的透射型雙頻吸收器進行仿真驗證.仿真中將x和y方向的邊界條件均設置為周期邊界條件,采用平面電磁波作為入射激勵源.規定入射波的電場方向垂直于xz平面時為TE波,平行于xz平面時為TM波.通過優化結構參數,可以調控該吸收器的等效介電常數和等效磁導率,使二者接近一致,從而與空氣界面滿足阻抗匹配條件,實現對電磁波的吸收.吸收率A可表示為A(ω)=1-T(ω)-R(ω),其中 ω 表示入射電磁波的角頻率,T (ω) 表示能量透射率,R (ω) 表示能量反射率.

為驗證設計的正確性,我們進行了加工測試.測試裝置如圖2(a)所示,發射喇叭天線發射電磁波照射到樣品表面,同側的接收喇叭天線接收反射波從而測出反射系數,背后的接收喇叭天線接收透射波從而測出透射系數,測試環境照片如圖2(b)所示.加工樣品的實物照片如圖2(c)所示,樣品的幾何尺寸為 397.4 mm × 414.6 mm,由 20 × 30陣列單元組成.測試和仿真結果如圖2(d)所示,二者符合較好,吸收頻點出現微小平移有兩個原因：一是加工誤差; 二是仿真中考慮的是理想的無限大周期結構,而實際加工的結構為有限尺寸.可以看出,對TE波的雙頻吸收接近于1,對TM波在3—9 GHz整個頻段透射率都達到90%以上.因此,本文結構實現了對TE波的高效吸收和TM波的高效透射.

為深入理解本文結構對TE波的電磁吸收機理,模擬在兩個共振頻點處的電場和磁場分布.圖3(a)和圖3(b)分別對應頻點f=5 GHz和頻點f=7 GHz的電場分布.可以看出,低頻點的吸收是因為較長的金屬條發生了諧振,而高頻點的吸收是因為較短的金屬條發生了諧振.激發的電場主要集中在金屬線的上下兩端,表明金屬線和底部金屬線上產生了一對反向平行的電流[33],從而形成了磁矩,該磁矩與入射波的磁場相互作用產生磁諧振[34],這就解釋了在兩個共振頻點所觀察到的高吸收率.在兩個共振頻點處的磁場分布如圖3(c)和圖3(d)所示,可以看出,磁場被局限在兩層金屬之間的電介質層內,從而電磁能量也就被限制在電介質層內,幾乎不發生反射.

圖1 (a) 超薄柔性透射型雙頻吸收器的效果示意圖; (b)基本單元結構示意圖Fig.1.(a) Schematic demonstration of the proposed ultrathin flexible transmission dual-band absorber; (b) schematic diagram of the basic unit structure.

圖2 (a) 實驗裝置示意圖; (b)測試環境照片; (c) 加工實物照片; (d)仿真和實驗結果Fig.2.(a) Schematic demonstration of experimental setup; (b) photograph of experimental setup; (c) photograph of the fabricated sample; (d) simulated and measured results.

考慮到在實際應用中,空間傳輸的電磁波常常來自于不同的方向,這就要求吸收器具有廣角特性.為了考察所提出的結構在不同入射角度下的性能表現,本文分別模擬了TM波的透射譜和TE波的吸收譜,結果如圖4(a)和圖4(b)所示.對TM波而言,不同角度入射時的透射譜如圖4(a)所示,可以看到,隨著入射角度的增大,透射率始終保持在90%以上.當入射角達到60° 時,在3—9 GHz頻段范圍內的透射率高達98%以上.對TE波,當入射角達到60° 時,雙頻點的吸收率均能保持在90%以上.另外,由于所提出的結構總體厚度只有0.288 mm,可實現柔性彎曲,容易做到與曲面目標共形,如圖4(a)中的插圖所示.由前面的分析可知,本文提出的結構具有良好的廣角特性,對于已覆蓋吸波材料的圓柱形物體,當平面電磁波照射到物體表面時,可以等效為不同角度的電磁波斜入射情況.因此可以預期,包裹了吸波材料的圓柱形物體具有良好的吸波性能,這就使得本文提出的吸波結構具有更廣闊的應用前景.

圖3 電場分布 (a) f=5 GHz,(b) f=7 GHz; 磁場分布(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,討論結構參數l1和l2對吸收頻點的調節作用.當l2保持不變,l1從19.4 mm減小到18.2 mm時,TE波的吸收和TM波的透射如圖5(a)所示.可以看到,低頻點吸收峰逐漸向高頻移動且始終保持較高吸收( ＞ 95%),然而,高頻點吸收峰和TM波的透射幾乎不受影響.當l1保持不變,l2從14.3 mm減小到12.3 mm時,TE波的吸收和TM波的透射如圖5(b)所示.可以看到,高頻點吸收峰逐漸向高頻移動且始終保持較高吸收( ＞ 95%),而低頻點吸收峰和TM波的透射也同樣不受影響.以上分析表明,雙頻吸收峰可以各自獨立調節,這就給設計帶來了極大的靈活性.

圖4 (a) TM波隨入射角度變化的透射譜,插圖為彎曲的加工樣品覆蓋在圓柱形物體表面; (b) TE波隨入射角度變化的吸收譜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.

圖5 (a) TE波的吸收和TM波的透射隨l1的變化; (b) TE波的吸收和TM波的透射隨l2的變化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 結 論

本文提出了一種極化控制的透射型雙頻吸收器,能夠實現對TE波的高效吸收和TM波的高效透射,這一特性為其在通信、濾波、傳感等方面的應用提供了更大的靈活性.實驗結果與仿真結果符合較好,驗證了設計的正確性.其次,該結構具有寬入射角特性,當入射角增大到60° 時,對TE波的吸收和TM波的透射依然能夠保持在90%以上.另外,該雙頻吸收器具有超薄的結構,可實現柔性彎曲,容易做到與曲面目標共形.以上特性使得本文提出的吸波結構具有廣闊的應用前景.