CN108551757A - 基于超材料宽带多角度电磁波吸收体 - Google Patents

基于超材料宽带多角度电磁波吸收体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料宽带多角度电磁波吸收体，利用石墨烯的强吸收性和广泛适用性，将已有的嵌入等离子体纳米腔中的石墨烯薄层作为单元周期结构，采用ε‑‑近零(Epsilon‑Near‑Zero)ENZ超材料的多层结构和基于表面结构两者优势相结合，设计出一种具有独特优势的全新亚波长电磁波吸收体，在近红外波段频率范围内运用基于有限元方法的数值仿真软件COMSOL进行建模验证。在TE、TM模式下，太赫兹波段210THz～260THz均存在有吸收效应，其中S参数吸收值最大可达‑41.555dB，在宽角度范围0°～80°也均有良好的吸收效果，完善了吸收体的建立，同时为今后设计新型吸波器提供了新的方案。

Description

基于超材料宽带多角度电磁波吸收体
技术领域
本发明属于太赫兹波段电磁波吸收材料领域，具体涉及太赫兹波段的吸收体结构化设计仿真、结构体吸波特性仿真，得到分别在TE，TM平面电磁波照射下的多角度吸收特性S参数曲线。
背景技术
随着现代军事探测技术和雷达技术在国防项目中的地位越来越重要，反雷达，反探测技术已成为当今研究的热点，因此电磁波吸收材料和吸收体的设计和研究日益受到重视，研究出宽带低色散的高性能电磁波吸收体单元，制成具有薄、轻、宽、强的电磁波吸收材料，并将其运用在如航母，船舰，战斗机中能有效躲避敌方目标雷达的探测与监控，实施更为精确的目标打击意义尤为重要。另外随着现代科技仪器的日益发达诸如电子计算机等的电子器件使用越来越频繁，因此我们身边无处不存在电磁波，从电子仪器及其相关设备中反射出来的无用电磁波会对其他电子仪器的使用和测量精度产生巨大的干扰，因此良好的电磁波吸收外壳作用在高精度要求的电子仪器上具有潜在的应用价值。同样电磁波对人体也会存在一定影响，减少和预防电磁波对人体的伤害，设计相关电磁波吸收器变得刻不容缓。
此外，吸收器在其他诸多应用领域中同样至关重要：如减少天线旁瓣辐射，吸收电磁干扰，减少雷达截面或开发选择性热发射器等。因此研究设计电磁波吸收体具有潜在重要的学术价值与应用前景，此领域以取得了一些有效地进展。
近几年，研究电磁波吸收体情况下使用金、银、铜等的在红外波段或者近红外波段作为一种稳定且可靠的完美反射体，可见光波段更能显示出等离子体谐振效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超材料宽带多角度电磁波吸收体，本发明利用ENZ超材料的特定性质，结合利用嵌入等离子体纳米腔中的石墨烯层，我们提出了多层结合表面结构的电磁波吸收器的设计，目的是同时满足多角度，宽频带的要求。
实现本发明目的的技术方案是，一种基于超材料宽带多角度电磁波吸收体，其特征是，将已有的嵌入等离子体纳米腔中的石墨烯薄层作为周期性结构单元，采用一近零ENZ超材料的多层结构和基于表面结构两者优势相结合，设计出一种全新亚波长电磁波吸收体，在近红外波段频率范围内运用基于有限元方法的数值仿真软件COMSOL进行建模验证，在TE、TM模式下，太赫兹波段210THz～260THz均存在有吸收效应，其中S参数吸收值最大可达-41.555dB，在宽角度范围0°～80°也均有良好的吸收效果，完善了吸收体的建立，同时为今后设计新型吸波器提供了新的方案。
所述的周期性结构单元，是在x轴两端设置周期性边界条件，顶端设置一个长度为800nm的入射端口，用以发射一定频率入射角度的电磁波，底部设置长为800nm的接受端口。
所述的全新亚波长电磁波吸收体，是使用基于有限元算法的COMSOL软件在RF模块电磁波频域处进行设计，该吸收体结构下部以一个长d3＝800nm的铜衬底作为电导体，铜衬底以上是高为d2＝300nm的HPV-ENZ-HPV三层结构，每一层高度为100nm，其中HPV的相对介电常数为16，相对磁导率为1，电导率值为0；中间的ENZ超材料，相对介电常数为0.275，相对磁导率为1，电导率为0；结构再往上部分为SiO2-(ε趋于零)石墨烯-SiO2纳米单元结构，石墨烯薄层厚度为0.34nm被嵌入在纳米腔中，石墨烯的相对介电常数为0.038×j0.066，相对介电常数值为1，尺寸大小d4＝1/2d3，作为石墨烯的栅氧化物(SiO2的折射率n＝1.45)，在TM模式下将有助于石墨烯将纵向电场吸收到其中，上下层的厚度各为50nm，长度为400nm。
本发明具有以下特点：
(1)利用含有ENZ石墨烯层的单元电池和ENZ超材料，以传输线理论作为支撑，结合多层结构和基于表面结构两者的独特优势，设计一种吸收体模型。
(2)由于电波处于太赫兹波段，所以我们在设计吸收体周期性单元结构时考虑在纳米尺寸进行仿真建模。
(3)确定该结构吸收电磁波的太赫兹频段范围一般在200THz～280THz波段，入射角度我们定为0°～80°。
(4)确定该结构中每一个部分的材料属性，电磁属性，具体尺寸大小。每一个部分的具体电磁参数我们采用控制变量法，只改变目标参数进行反复多次计算机仿真计算，最后得到结果最优值将其定位为确定参数，以此类推在改变其他参数进行实验，由此完成该吸收体的电磁参数属性设置。
(5)我们依次对该吸收体在TE、TM模式下进行电磁波吸收效果测试，在0°～80°下进行仿真扫频分析，得到具体情况下的电场模值场图、磁场模值场图以及S参数吸收数值图样，保存输出图片，确定吸收体最终吸收效果。
本发明是将ENZ超材料的宽带电磁波吸收体与石墨烯两者的强大吸收优势结合起来，设计小的层厚度，在具有可能的较宽带宽的单个和/或不同谐振频率下，针对不同入射角获得宽带低色散良好的吸收水平。
本发明主要是针对隐型结构和屏蔽电磁波为背景，运用商业软件COMSOL进行0～80度电磁波入射的仿真模拟，使用者可以输入电磁波的发射频率(主要在太赫兹频段)和入射角等信息，并可以设置图形的名称及横纵坐标的名称、是否保存上一次运行的结果、保存图片的格式。
附图说明
图1是本发明吸收体单元设计的结构图。
图2是本发明在COMSOL仿真中不计入结构全部充满空气的吸收效果图。
图3是TE模式下三个角度谐振频率下的电场模图样的比较。
图4是TM模式下三个角度谐振频率下的磁场模场图的比较。
图5是TM模式下，在中心谐振频率231THz情况下的扫角分析图表。
图6是TE偏振入射，0°～80°入射时各角度在200THz-280THz的S参数值。
图7是TM偏振入射，0°～85°入射时各角度在200THz-280THz的S参数值。
具体实施方式
本发明的具体实现步骤如下：
步骤1：本发明设计了一种周期性结构的单元，在x轴两段施加周期性边界条件，顶端设置一个长度为800nm的入射端口，用以发射一定频率角度的电磁波，底部设置长为800nm的接受端口，参照图1。
结构分析：使用基于有限元算法的COMSOL软件在RF模块电磁波频域处进行设计，参照图1所示下部为长d3＝800nm的一个铜衬底作为完美电导体。因为铜造低，比银等金属更易获得且具有较高的电导率，能更好的将电磁波反射回去，所以这里我们采用铜作为底部器件。往上是高为d2＝300nm的HPV-ENZ-HPV三层结构，每一层高度为100nm，其中HPV为高介电常数值介质，在自然界中一般为含水量一定的岩石(石灰岩)或者是土壤，湿沙等，此处在COMSOL中相对介电常数设置为16，相对磁导率为1，电导率值为0。对于中间的ENZ超材料，我们在这里相对介电常数设计的数值为0.275，相对磁导率为1，电导率为0。
因为ENZ超材料具有非常低的介电常数，与此同时HPV高电容率电解质具有非常高的介电常数(εr＝16)，两者在介电常数方面形成了巨大反差，使得电场再穿过ENZ超材料中时，电场的法向分量被很好地保存了下来，为更有利于电场被限制在ENZ中提供了保证。
结构图如图1所示，再往上部分为SiO2-(ε趋于零)石墨烯-SiO2纳米单元结构，石墨烯薄层厚度为0.34nm被嵌入在纳米腔中(石墨烯在空腔中的位置不敏感性，这里取自纳米空腔中心)，石墨烯的相对介电常数值我们取为0.038×j0.066，相对介电常数值为1，石墨烯的电导率用公式计算得到，其中费米能级EF＝100meV，电磁波在石墨烯中的弛豫时间在这里取trel＝10-13s，ω为入射电磁波角频率，与入射电磁波有关。在温度T＝300K和太赫兹波段情况下hω≈1meV，e为基本电荷量常数。
尺寸大小d4＝1/2d3，作为石墨烯的栅氧化物(n＝1.45)，在TM模式下将有助于石墨烯将纵向电场吸收到其中。上下层的厚度各为50nm，长度为400nm，(周期性结构小单元)这种情况是经过多次仿真结果得到的最佳尺寸，这样的单元纳米腔结构很大程度上具有光栅的特性，可以将电磁波很好的耦合进吸收体中，保证了电磁波的最大程度吸收。与此同时这种表面结构的所形成的谐振单元，是由电场和磁场相互激励的事实所提出的，可以在多层结构中产生部分额外电场，促进电磁波的整体吸收效率。
在这个提出的电磁波吸收器中，电磁波自上而下经过吸收单元，穿过纳米腔和多层结构，被吸收器吸收一部分，到达铜衬底。但电磁波无法穿透铜只能被反射回去，在铜衬底处只有几个纳米的趋肤深度，电磁波再次经过吸收部分得到吸收，吸收器性能优越的情形下只可能会有极少量电磁波逃过吸收器，透射出表面。因此可以在电磁波吸收器周期单元周围看到明显的电磁波模量下降，只有入射波激励的电磁波模而已。
吸收体上部为空气介质下部也为空气介质，对于任意入射角的平面电磁波参数，吸收体顶部自由空间的波数输入为emw.k0，定义电磁波入射角θ，范围为0°～80°，在局部变量处输入波数分量分别为k0x＝k0sin(θ)、k0y＝-k0cos(θ)，在吸收体底部衬底处(nsub＝1)的波数记为ksub＝k0nsub，波数的分量分别记为kxsub＝ksubsin(θsub)、kysub＝-ksubcos(θsub)。我们分别在吸收体结构顶部设置一个激励源端口，假设激发电场分量为在结构底部设置一个接受端口，电模式场大小为这样在吸收体顶部端口出任意定义一个激励端口，就可以发射任意角度的平面电磁波。
步骤2：采用设计的二维结构，将电磁波由顶部端口激励，分别计算TM，TE两种情况下多角度(0～80°)的吸收体吸收情况。作为最后结果的衡量标准，电场模和磁场模场图具有非常重要的参考价值，场图中每一部分模值与入射电磁波模值的比值(放大倍数)τ＝E′/E0，可以很清楚的观察结果及规律，电场及磁场的二维传播规律由下式决定
在这里我们将E0、H0计入1，有下式成立
(其中I0为入射光强，Sav为平均波印廷矢量)又因为可将Sav单独表示为E0、H0如下式
(其中η为空间中的波阻抗为120π)，端口入射波的功率可由P＝I0·L·cos(α)决定(其中L为端口数值长度800nm，α为入射角度)，到此处我们算得P值得到场图电磁场模值即为1，实际结果任取频率。我们在不计入结构情况下，整个空间充满空气，电场模值图样如图2所示。
步骤3：TE偏振下的结构吸收
在吸收频率上我们在这里采用(200THz～280THz)情况下的S参数及电磁场模做分析，在20°、50°和80°情况下电磁场模式图吸收比较：
三个角度谐振频率下的电场模的比较如图3所示，相比于0°和10°情况，吸收体吸收电磁波的效果并没有减弱，在纳米腔部分仍然可以看到近于1.4倍的吸收效果。在ENZ-HPV界面处有接近于2.8倍的电磁波的吸收，吸收效果较为理想。但角度增加到了50°左右时纳米腔部分左边明显出现淡灰色，波膜吸收效果下降。在下面的多层结构中我们也可以看到吸收带出现明显的波动，吸收情况出现恶化，但依旧存在吸收。此时的吸收体周围出现波模上升迹象由低角度的灰色演变成了深灰色，电磁波出现反射出吸收体的现象。在80°情况时，吸收效果继续下降，纳米腔此时吸收效果并不明显。多层结构中，吸收颜色明显变淡，最大值处约为端口激励模的1.4倍左右，在吸收体上部接近端口位置处，发现较为明显的深灰色，电磁波部分发生全反射。
步骤4：TM偏振下的结构吸收
在吸收频率上采用(200THz～280THz)情况下的S参数及电磁场模做分析。
1、COMSOL三个角度谐振频率下的磁场模场图的比较如图4所示：吸收体在多层结构中吸收磁场模，在底部的HPV层中吸收磁场模倍数在1～9倍范围，在HPV-ENZ区域则有吸收强度3.5～5倍，吸收体周围及顶部区域基本显示为1倍的模值量。相比于此，图(e)和图(f)在纳米腔和下部多层结构中，吸收体顶部区域逐渐泛白，磁场模值增加，表明吸收体吸收磁场能力减弱。在多层结构中底部HPV层中吸收磁场模最大值从入射模量的7.5倍锐减到6.5倍。但有趣的是我们在这里发现再HPV-ENZ界面周围吸收能力却逐渐加强，从图中可以看到颜色逐渐加深变黑，吸收倍数从3.6倍依次加强到6倍模值左右。
2、在15°入射角中心谐振频率231THz情况下的扫角分析，如图5所示。可以看到在2.618rad处取得大约-35dB的S参数吸收值,有效吸收角度范围在宽范围0rad～1rad之间，随着角度慢慢变大，吸收曲线逐渐趋于平缓，吸收不再显著。
步骤5：开发可视化窗口，将步骤3、4所得的电场磁场模值图以图片的形式显示，模拟吸收体吸收电磁波的情况，并保存图片。
本发明的仿真吸收效果可以通过以下S参数吸收线图进一步说明
1、TE模式下S参数图汇总：
电磁波吸收体在入射TE模式，0°～80°情况下的S参数图如图6所示，可以发现在角度0°到15°范围内存在S参数吸收的最大值，在这里显示在15°入射角情况下存在最大值-35dB，随着角度的增大曲线谐振频率慢慢发生蓝移，带宽增大且吸收峰值在逐渐减弱。这主要是因为磁场分量可以在吸收体单元中产生磁谐振和环路电流，随着入射角增大磁场分量逐渐减少直至为0，所以在吸收体中磁谐振和环路电流效应逐渐消失，导致吸收体整体吸收性能下降，吸收峰减弱且谐振频率向高频移动。但是在宽入射角范围0°～65°内该吸收体依然对TE模式的电磁波存在较为优越的吸收性能，如图6中黑色粗实线所示，最低也可以达到-8.5dB吸收值，这为良好吸收的一个标准值。
2、TM模式下S参数图汇总：
如图7所示的S参数曲线图，在15°角入射时取得了最大谷值约为-40.12dB。随着入射角度的增高，吸收带宽显著增大，S参数曲线逐渐变的平缓起来，中心谐振频率表现出明显的向高频移动的趋势。在TM波入射下，随着入射角的增加，电磁波的电场分量到达吸波体表面不同位置所需时间不一样，导致相邻单元体中电流震荡不同步，因此相邻单元的偶极子震荡不再同步，从而导致吸收峰向高频移动。由图可以看出S参数吸收谷值逐渐降低，到最后的85°时基本不存在吸收，吸收曲线向0dB趋近。在这里确定了一个有效的吸收值-6.5dB,在角度0～60°宽入射角范围内我们都确定为是有效吸收的，如图中黑色粗直线所示。

Claims (3)

1.基于超材料宽带多角度电磁波吸收体，其特征是，将已有的嵌入等离子体纳米腔中的石墨烯薄层作为周期性结构单元，采用ε--近零ENZ超材料的多层结构和基于表面结构两者优势相结合，设计出一种全新亚波长电磁波吸收体，在近红外波段频率范围内运用基于有限元方法的数值仿真软件COMSOL进行建模验证，在TE、TM模式下，太赫兹波段210THz～260THz均存在有吸收效应，其中S参数吸收值最大可达-41.555dB，在宽角度范围0°～80°也均有良好的吸收效果，完善了吸收体的建立，同时为今后设计新型吸波器提供了新的方案。
2.如权利要求1所述的基于超材料宽带多角度电磁波吸收体，其特征是所述的周期性结构单元，是在X轴两端设置周期性边界条件，顶端设置一个长度为800nm的入射端口，用以发射一定频率入射角度的电磁波，底部设置长为800nm的接受端口。
3.如权利要求1所述的基于超材料宽带多角度电磁波吸收体，其特征是所述的全新亚波长电磁波吸收体，是使用基于有限元算法的COMSOL软件在RF模块电磁波频域处进行设计，该吸收体结构下部以一个长d3＝800nm的铜衬底作为电导体，铜衬底以上是高为d2＝300nm的HPV-ENZ-HPV三层结构，每一层高度为100nm，其中HPV的相对介电常数为16，相对磁导率为1，电导率值为0；中间的ENZ超材料，相对介电常数为0.275，相对磁导率为1，电导率为0；结构再往上部分为SiO2-(ε趋于零)石墨烯-SiO2纳米单元结构，石墨烯薄层厚度为0.34nm被嵌入在纳米腔中，石墨烯的相对介电常数为0.038×j0.066，相对介电常数值为1，尺寸大小d4＝1/2d3，作为石墨烯的栅氧化物，在TM模式下将有助于石墨烯将纵向电场吸收到其中，上下层的厚度各为50nm，长度为400nm。
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