CN111048910A - 超材料太赫兹电磁吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：包括以水平方向截面为正方形的介质层，介质层的底面连接有一层泡沫层，泡沫层的底面设有金属接地层；所述介质层的表面设有金属贴片层；所述的金属贴片层包括设置在位于介质层表面中心位置的正十字形贴片，正十字形贴片的四角处分别设有方形贴片；所述正十字形贴片和方形贴片的周边设有第一贴片框和第二贴片框；所述的第一贴片框和第二贴片框为方形框相邻的两边分别被两个长方体切割后所留的两个部分。本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收能力，具有偏振不敏感特性、宽角度特性。
Description
技术领域
本发明涉及微波吸收器技术领域，具体为一种超材料太赫兹电磁吸收器。
背景技术
由于在太阳能捕获、热辐射控制和热成像等领域有着广泛的应用，基于微纳结构的宽带光吸收近年来被广泛的研究。太赫兹(THz)波是位于微波和远红外线之间的电磁波，是宽带光的一种。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，从此使得人们能够研究太赫兹。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、光谱与成像技术以及军工雷达等领域有着广泛的应用。而太赫兹波段的开发和利用离不开太赫兹功能器件，太赫兹吸收器是太赫兹应用的一种基本的功能器件，能被广泛应用于微型测辐射热仪、探测器、频谱成像、隐身等方面。为了获得太赫兹的吸收，已经有许多方法被提出，例如多重谐振的概念，也即构建一个超格点结构，其每个子单元谐振的频率带宽重合。通常都面临着有限的带宽或者复杂的设计和制造过程等缺陷，而且偏振敏感特性、宽角度不足，吸声性能差，不利于实际的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种超材料太赫兹电磁吸收器。本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收能力，具有偏振不敏感特性、宽角度特性。
本发明的技术方案：超材料太赫兹电磁吸收器，包括以水平方向截面为正方形的介质层，介质层的底面连接有一层泡沫层，泡沫层的底面设有金属接地层；所述介质层的表面设有金属贴片层；所述的金属贴片层包括设置在位于介质层表面中心位置的正十字形贴片，正十字形贴片的四角处分别设有方形贴片；所述正十字形贴片和方形贴片的周边设有第一贴片框和第二贴片框；所述的第一贴片框和第二贴片框为方形框相邻的两边分别被两个长方体切割后所留的两个部分。
上述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述介质层的材质为聚酰亚胺，介质层的介电常数为3.5+0.2i；所述介质层的长宽均为12μm,厚度为1.4μm。
前述的双开口环结构宽带微波吸收器，所述泡沫层的长宽均为12μm,厚度为12μm。
前述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述金属接地层的长宽均为12μm，厚度为100nm，材质为金。
前述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述的金属贴片层的厚度为100nm，材质为金。
前述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述方形框的边框宽度为0.75μm。
前述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述正十字形贴片包括相互垂直的水平横条和竖直横条，水平横条和竖直横条的宽度均为1μm；所述的第一贴片框和第二贴片框为方形框相邻的两边中心分别被两个长方体切割后所留的两个部分，且切割的宽度与水平横条或竖直横条的宽度相等。
前述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述的方形贴片与水平横条和竖直横条之间的距离均为1μm。
前述的超材料太赫兹电磁吸收器，所述的方形贴片的宽度为3.25μm。
与现有技术相比，本发明通过设置一层介质层，介质层的底面连接有一层泡沫层，泡沫层的底面设置金属接地层；在介质层的表面设置金属贴片层，金属贴片层包括设置在位于介质层表面中心位置的正十字形贴片，正十字形贴片的四角处分别设置方形贴片；然后在正十字形贴片和方形贴片的周边设置第一贴片框和第二贴片框；其中第一贴片框和第二贴片框为方形框相邻的两边分别被两个长方体切割后所留的两个部分，由此构成本发明的整体结构，本发明对2.4THz到3.8THz的电磁波达到80％以上的吸收率，带宽可达1.4THz，带宽范围大，而且在2.63THz和3.19THz的电磁波吸收效率达到99.1％，因此本发明具有良好太赫兹波吸收能力。本发明对不同入射角度时太赫兹波的吸收效率几乎不变，因此本发明不受入射波角度的影响，具有良好的偏振不敏感特性；在入射角度改变时，本发明在共振频率处仍表现为近似百分之百的吸收，表现出了非常好的宽角度特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明的吸收率和频率之间的关系；
图4是本发明在不同频率下的电场分布图；
图5是本发明吸收入射角度为10°的平面波的吸收率曲线图；
图6是本发明吸收入射角度为30°的平面波的吸收率曲线图；
图7是本发明吸收入射角度为60°的平面波的吸收率曲线图；
图8是本发明吸收入射角度为80°的平面波的吸收率曲线图。
附图标记
1、介质层；2、金属接地层；3、金属贴片层；4、正十字形贴片；5、方形贴片；6、泡沫层；7、第一贴片框；8、第二贴片框。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：超材料太赫兹电磁吸收器，如图1-2所示，包括以水平方向截面为正方形的介质层1，所述介质层1的材质为聚酰亚胺，其具有优良的电磁吸收性能，且均为有损耗的材料，介质层的介电常数为3.5+0.2i；所述介质层1的长宽均为12μm,厚度为1.4μm，所述介质层1的底面连接有一层泡沫层6，采用的刚性泡沫，介电常数为1.07，所述泡沫层6的长宽均为12μm,厚度为12μm；所述泡沫层6的底面设有金属接地层2，所述金属接地层2的长宽均为12μm，厚度为100nm，材质为金；所述介质层1的表面设有金属贴片层3；所述的金属贴片层3的厚度为100nm，材质为金；所述的金属贴片层3包括设置在位于介质层1表面中心位置的正十字形贴片4，正十字形贴片4的四角处分别设有方形贴片5；所述正十字形贴片4和方形贴片5的周边设有第一贴片框7和第二贴片框8；所述的第一贴片框7和第二贴片框8为方形框相邻的两边分别被两个长方体切割后所留的两个部分；所述方形框的边框宽度为0.75μm。所述正十字形贴片4包括相互垂直的水平横条和竖直横条，水平横条和竖直横条的宽度均为1μm；所述的第一贴片框7和第二贴片框8为方形框相邻的两边中心分别被两个长方体切割后所留的两个部分，且切割的宽度与水平横条或竖直横条的宽度相等。所述的方形贴片5与水平横条和竖直横条之间的距离均为1μm；所述的方形贴片5的宽度为3.25μm；所述方形贴片5的宽度为介质层宽度的一半减去方形框的边框宽度再减去两倍的方形贴片与水平横条和竖直横条之间的距离。
申请人利用CST微波工作室对本发明的吸收特性进行了仿真分析，选取边界条件为周期性的边界条件，设置Z方向是电磁波的入射方向，图3显示了通过模拟获得的本发明的吸收率和频率之间的关系，从图3中可以看出，本发明在2.63Thz时的吸收效率达到99.1％，在3.19Thz时吸收效率为99.9％，这两个频率之间的带宽为0.562Thz，近乎实现近乎百分之百地吸收；而且从图中可以看出，本发明在超过80％的吸收效率要求时，带宽可达到1.4Thz，带宽范围大。
申请人还对本发明的电场进行了模拟和分析，图4显示了在不同频率下的电场分布，图4-(a)、图4-(b)分别是吸收峰为2.63Thz时TE和TM模式下的表面电场图，图4-(c)、图4-(d)分别是吸收峰为3.36Thz时TE和TM模式下的表面电场图。由于第一贴片框和第二贴片框之间的两个开口形成并联的RLC等效电路，在TE模式时，能量集中在第一贴片框的下方，TM模式时，能量集中第一贴片框的上方，这表明在本发明在E和TM模式两个模式时都能起到吸收电磁的作用。
在实际使用过程中，入射的电磁波常常伴随着多种不同偏振的分量，偏振不敏特性是吸波器的重要特性。申请人通过改变平面波的入射角度，检测本发明对不同平面波的吸收率，其结果如图5-图8所示所示，其中图5中的平面波入射角度为10°，图6中的平面波入射角度为30°，图7中的平面波入射角度为60°，图8中的平面波入射角度为80°，从图5-图8中可以看出，本发明对不同入射角度的平面波的吸收效率几乎不变，说明本发明吸收器的效果不受入射波角度的影响，具有良好的偏振不敏感特性。同时，入射角度改变时在共振频率处仍表现为近似百分之百的吸收，由此表现出了非常好的宽角度特性。
综上所述，本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收能力，而且具有非常好的偏振不敏感特性、宽角度特性，具有调谐吸收频率的作用，可以实现在太赫兹波段的宽带吸收，而且制造加工方便，适用于太阳能光伏领域、安保成像、无线通信、医学检测等领域。
Claims (9)
1.超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：包括以水平方向截面为正方形的介质层(1)，介质层(1)的底面连接有一层泡沫层(6)，泡沫层(6)的底面设有金属接地层(2)；所述介质层(1)的表面设有金属贴片层(3)；所述的金属贴片层(3)包括设置在位于介质层(1)表面中心位置的正十字形贴片(4)，正十字形贴片(4)的四角处分别设有方形贴片(5)；所述正十字形贴片(4)和方形贴片(5)的周边设有第一贴片框(7)和第二贴片框(8)；所述的第一贴片框(7)和第二贴片框(8)为方形框相邻的两边分别被两个长方体切割后所留的两个部分。
2.根据权利要求1所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述介质层(1)的材质为聚酰亚胺，介质层的介电常数为3.5+0.2i；所述介质层(1)的长宽均为12μm,厚度为1.4μm。
3.根据权利要求1所述的双开口环结构宽带微波吸收器，其特征在于：所述泡沫层(6)的长宽均为12μm,厚度为12μm。
4.根据权利要求1所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述金属接地层(2)的长宽均为12μm，厚度为100nm，材质为金。
5.根据权利要求1所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述的金属贴片层(3)的厚度为100nm，材质为金。
6.根据权利要求1所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述方形框的边框宽度为0.75μm。
7.根据权利要求1所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述正十字形贴片(4)包括相互垂直的水平横条和竖直横条，水平横条和竖直横条的宽度均为1μm；所述的第一贴片框(7)和第二贴片框(8)为方形框相邻的两边中心分别被两个长方体切割后所留的两个部分，且切割的宽度与水平横条或竖直横条的宽度相等。
8.根据权利要求7所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述的方形贴片(5)与水平横条和竖直横条之间的距离均为1μm。
9.根据权利要求8所述的超材料太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述的方形贴片(5)的宽度为3.25μm。
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Application publication date: 20200421 |
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