CN107919534A - 一种太赫兹波段极化不敏感的五频带超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种太赫兹波段极化不敏感的五频带超材料吸波器。该超材料吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜1，中间损耗介质层2和顶层金属薄膜组成，底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜之间相互贴合。所述底层金属薄膜1是全金属薄膜，顶层金属薄膜是圆环31和圆环32组成，圆环31的几何中心、圆环32的几何中心、中间损耗介质层2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。本发明提供的超材料吸波器具有高吸收率、极化不敏感特性，并且有五个吸收峰值点，具有很高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种极化不敏感的五频带超材料吸波器。
背景技术
在国防军事领域，为避免武器装备被敌方发现并攻击，提高军事装备的战术水平，雷达隐身技术也变得日益重要，受到世界各国的高度重视。吸波是雷达隐身技术的关键，但传统吸波材料存在体积庞大、笨重、性能低等缺点，在应用上受到很大的限制。
超材料是一种由亚波长微结构单元按照一定规律排列所构成的人工材料。由于微结构单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超材料的优点在于可以通过调节微结构单元的几何形状、尺寸和分布形式来任意控制材料的电磁属性，从而获得多种新奇的特性。超材料是一种具有超常电磁性质的人工结构材料，可以实现负折射率、超透镜以及高吸收等。基于超材料的完美吸波器具有厚度薄、质量轻、吸收强等优点，可应用于微型测辐射仪、光探测器、频谱成像、电磁隐身等领域。
目前，研究人员已经提出了多种超材料吸波器结构，但这些吸波器结构的工作频段主要局限在单个和双个频带的电磁吸波器已不能满足系统抗干扰的要求。因此，如何实现多个频带的电磁吸波器，增强对系统的抗干扰性，是一个急需要解决的问题。本发明提出的超材料吸波器在0.5～3.9THz内实现了多大五个频带的完美吸收，而且还具有极化不敏感特性，因此具有很高的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种工作于太赫兹波段的具有极化不敏感特性的五频带超材料吸波器。
本发明的目的是这样实现的：该超材料吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜1，中间损耗介质层2和顶层金属薄膜组成，底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜之间相互贴合。所述底层金属薄膜1是全金属薄膜，顶层金属薄膜是圆环31和圆环32组成，圆环31的几何中心、圆环32的几何中心、中间损耗介质层2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。
作为优选，每个吸波器单元的横剖面都为正方形，其边长为80～85微米。
作为优选，底层金属薄膜1和非对称金属劈裂环3的厚度dh均为0.2～1微米，可由金、银、铜、铝或铅中的一种制成。
作为优选，圆环31的外半径r1和内半径r2分别为32微米和26微米。
作为优选，圆环32的外半径r3和内半径r4分别为18微米和12微米。
作为优选，中间介质层2是聚酰亚胺(PI)薄膜，其厚度t为17～18微米，折射率为1.8，消光系数为0.06。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.超材料吸波器的顶层采用两个同心金属圆环组成，结构简单，紧凑，完美对称，易于实现，还可以使吸波器具有极化不敏感特性；
2.本发明提出的超材料吸波器，可以在0.5～3.9THz的频率范围内实现五个吸收峰，且都具有近乎完美的吸收平均吸收；
3.本发明提出的超材料吸波器结构所用材料皆为常规材料，易于实现。
附图说明
图1：本发明的三维结构示意图。
图2：图1的主视图。
图3：图1的仰视图。
图4：本发明对垂直入射吸收率仿真结果图。
图5：本发明在不同极化角度下的吸收谱图。
图6：本发明在不同金属情况下垂直入射吸收率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1、2、3所示，本发明提出的五频带超材料吸波器，包括沿平面连续设置的多个吸波单元。所述的吸波单元由下而上依次设置的底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜组成。底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜之间相互紧密贴合，也即本发明的的底层金属薄膜1和顶层金属薄膜分别紧密贴附于中间损耗介质层2的两侧。所述的底层金属薄膜1是全金属膜，无镂空结构，顶层金属薄膜由两个个同心金属圆环组成。圆环31的几何中心，圆环32的几何中心与中间损耗介质2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。
当多个吸波单元沿平面连续设置时，底层金属薄膜1和中间损耗介质2均连为一体，而金属圆环(31和32)之间则相互隔离，使各个吸波单元独立工作。
所示中间介质为有损耗的聚酰亚胺(PI)薄膜，其折射率为1.8，消光系数为0.06。
底层金属薄膜1和金属圆环(31和32)同采用银、铜、金或铝中的一种，其电导率分别为：σ银＝6.1×107S/m、σ铜＝5.8×107S/m、σ金＝4.1×107S/m和σ铝＝3.8×107S/m。
作为实施例，每个吸波单元的三层结构各尺寸参数如下：晶格周期P＝80微米，两个金属圆环的内外半径分别为r1＝32微米，r2＝26微米，r3＝18微米，r4＝12，中间介质层厚度t＝17微米，顶层和底层的金属铜膜厚度为dh＝0.5微米。
本实施例所述的五频带超材料吸波器的吸收率定义为A＝1-R-T，式中R为反射率，T为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的吸波单元的底层为全金属膜1，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率计算公式可简化为A＝1-R。
本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图4所示，该仿真结果由FDTDSolutions计算得到。从图中可以看到，在0.5～3.9THz内有五个明显的吸收峰。这五个吸收峰在0.90THz，1.83THz，2.55THz，2.92THz，3.71THz处的吸收率分别为99.83％，98.92％，99.96％，99.35％，和99.00％，并且平均吸收率高达99.41％。这说明本发明提出的吸波器在五个频点上达到了近乎完美的吸收。
本实施例在不同极化角度下的吸收谱图如图5所示。所述极化角度被定义为电场矢量与竖直方向的夹角，电磁波波矢量仍保持垂直于吸波体吸收面不变。从图中可以看出本发明提出的吸波器在不同极化角度下具有相同的吸收响应曲线，这说明本发明提出的吸波器表现出了良好的极化不敏感特性。
本实施例在不同金属材料情况下垂直入射吸收率仿真结果图如图6所示。从图中可以看出各个频带的吸收率几乎不受到金属材料的影响。这说明本发明提出的吸波器可选用多种金属材料。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (6)
1.一种太赫兹波段极化不敏感的五频带超材料吸波器，其特征在于：该超材料吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜1，中间损耗介质层2和顶层金属薄膜组成，底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜之间相互贴合。所述底层金属薄膜1是全金属薄膜，顶层金属薄膜是圆环31和圆环32组成，圆环31的几何中心、圆环32的几何中心、中间损耗介质层2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段偏振不敏感的五频带超材料吸波器，其特征在于：所述每个吸波器单元的横剖面都为正方形，其边长P为80～85微米。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段偏振不敏感的五频带超材料吸波器，其特征在于：所述底层金属薄膜1、圆环31和圆环32的厚度均为0.2～1微米，由金、银、铜或铝中的一种制成。
4.根据权利要求1和3所述的一种太赫兹波段偏振不敏感的五频带超材料吸波器，其特征在于：所述圆环31的外半径r1和内半径r2分别为32微米和26微米。
5.根据权利要求1和3所述的一种太赫兹波段偏振不敏感的五频带超材料吸波器，其特征在于：所述圆环32的外半径r3和内半径r4分别为18微米和12微米。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段偏振不敏感的五频带超材料吸波器，其特征在于：中间介质层2是聚酰亚胺(PI)薄膜，其厚度t为17～18微米，折射率为1.8，消光系数为0.06。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Hu Dan Document name: Notice of First Examination Opinion |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180417 |