CN111342238A - 一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，涉及超材料技术领域，包括环形谐振器、第一介质层、第一金属反射层、第二介质层、电阻膜层、第三介质层和第二金属反射层，环形谐振器由多个单元器件构成，多个单元器件呈周期性排列，单元器件包括大金属环和小金属环，小金属环位于大金属环的内侧，大金属环的横截面宽度小于小金属环的横截面宽度。本发明解决了目前跨波段超材料吸收带宽有限且加工困难的问题，利用偶极子谐振吸收原理，结构简单，宽带吸收超材料周期小，制造精度要求低；宽带吸收超材料具有跨波段宽带高吸收率的效果，具备跨波段多功能的优势。

Description

一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料。
背景技术
超材料是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。自从2008年Landy等人提出了第一个完美超材料吸收器以来，超材料吸收器作为近年来超材料的一个重要分支引起了人们的极大兴趣，特别是以太赫兹超材料吸收器为基础的完美吸收器是最典型的代表，它可以克服天然材料与太赫兹波之间的弱作用，从而在通信、探测、成像和雷达等领域得到广泛的应用。然而，目前这些超材料吸收器的实现大多基于电磁共振现象，仅在较窄带宽的情况下达到峰值吸收，限制了其应用范围。太赫兹波通常指跨越(0.1-10)THz的电磁频谱，它是微波和红外波段之间的过渡频段，因此太赫兹波和微波具有相似的特性。例如，这两个波段的波长较长，可以远距离通信；其光子能量较低，可用于低损伤探测和成像；频带较宽，可携带更多信息；对能够探测到的非极性材料具有很强的穿透性。微波超材料吸收器和太赫兹超材料吸收器在很多领域具有重要的应用价值。一种能同时吸收微波和太赫兹波的跨波段超材料宽带吸收器，能够满足两个波段的通信、探测、成像和隐身等要求。然而，目前关于跨带超材料吸收器的文献报道却很少，而且跨波段结构较复杂，实现的是窄带吸收。吸收率A由公式A＝1-R-T＝1-|S11|2-|S21|2可求得，其中S11和S21分别表示材料的反射系数和透射系数，R＝|S11|2是反射率，T＝|S21|2是透射率。相对吸收带宽WRAB定义为WRAB＝2(fu-fl)/(fu+fl)，其中，fu和fl分别表示吸收率大于50％的最高和最低频率点。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，包括环形谐振器、第一介质层、第一金属反射层、第二介质层、电阻膜层、第三介质层和第二金属反射层，所述环形谐振器、第一介质层、第一金属反射层、第二介质层、电阻膜层、第三介质层和第二金属反射层从上往下依次排列，所述环形谐振器由多个单元器件构成，多个单元器件呈周期性排列，实现对入射微波和太赫兹波的宽带谐振吸收，所述单元器件包括大金属环和小金属环，小金属环位于大金属环的内侧，大金属环的横截面宽度小于小金属环的横截面宽度。宽带吸收超材料通过光刻技术和印制电路板技术制作完成。
优选的，所述大金属环和小金属环均为闭合环，大金属环呈方形或圆形或多边形，小金属环呈方形或圆形或多边形。大金属环和小金属环的形状便于加工生产。
优选的，单个单元器件中大金属环的数量为1个，小金属环的数量为2～6个。相邻的小金属环吸收带宽部分重叠。调节环形谐振器单元器件中金属环的形状、个数及介质层的厚度可以改变宽带吸收超材料对微波及太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述大金属环的横截面宽度为2um～7um，小金属环的横截面宽度为8um～16um，大金属环的高度为0.1um～0.6um，小金属环的高度为0.1um～0.6um，大金属环的长度为264～268um，小金属环的长度为106～110um。大金属环的边长决定了金属环的吸收峰，小金属环之间的距离决定了各小金属环吸收峰叠加的情况，大金属环和小金属环决定了超材料的吸收带宽。
优选的，所述大金属环由金或铬材料制成，小金属环由金或铬材料制成。
优选的，所述第一介质层由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成，第二介质层由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成，第三介质层由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成。
优选的，所述第一介质层厚度为58～62um，第二介质层厚度为1.7～2.1mm，第三介质层厚度为2.6～3.1mm。
优选的，所述第一金属反射层由金或铜材料制成，第二金属反射层由金或铜材料制成。
所述第一金属反射层的周期为245um～280um，第二金属反射层的周期为300um～340um，第一金属反射层厚度为0.13～0.17um，第二金属反射层厚度为0.08～0.12mm。
优选的，所述电阻膜层的阻值为120Ω～180Ω。
本发明的有益效果在于：本发明解决了目前跨波段超材料吸收带宽有限且加工困难的问题，利用偶极子谐振吸收原理，宽带吸收超材料谐振吸收峰由偶极子谐振引起，单元器件的多个小金属环形成分立的谐振吸收峰，各个谐振吸收峰相互靠近，其吸收带宽相互叠加在一起形成微波和太赫兹波段的宽带吸收，且由于多个小金属环采用相同的形状排列在一起，结构简单，加工方便，宽带吸收超材料周期小，制造精度要求低；介质层的厚度实现对自由空间的阻抗匹配，进一步增强宽带吸收超材料的吸收率；宽带吸收超材料具有跨波段宽带高吸收率的效果，具备跨波段多功能的优势。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的单元器件俯视图；
图3为本发明在太赫兹波段的数值仿真吸收图；
图4为本发明在微波波段的数值仿真吸收图。
其中：1、环形谐振器；2、第一介质层；3、第一金属反射层；4、第二介质层；5、电阻膜层；6、第三介质层；7、第二金属反射层；8、大金属环；9、小金属环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明包括环形谐振器1、第一介质层2、第一金属反射层3、第二介质层4、电阻膜层5、第三介质层6和第二金属反射层7。环形谐振器1、第一介质层2、第一金属反射层3、第二介质层4、电阻膜层5、第三介质层6和第二金属反射层7从上往下依次排列。环形谐振器1由多个单元器件构成，多个单元器件呈周期性排列。单元器件包括大金属环8和小金属环9，小金属环9位于大金属环8的内侧。单个单元器件中大金属环8的数量为1个，小金属环9的数量为2～6个。相邻的小金属环9吸收带宽部分重叠。大金属环8和小金属环9均为闭合环，大金属环8呈方形或圆形或多边形，小金属环9呈方形或圆形或多边形。大金属环8的横截面宽度小于小金属环9的横截面宽度，大金属环8的横截面宽度为2um～7um，小金属环9的横截面宽度为8um～16um。大金属环8的高度为0.1um～0.6um，小金属环9的高度为0.1um～0.6um。大金属环8的长度为264～268um，小金属环9的长度为106～110um。大金属环8由金或铬材料制成，小金属环9由金或铬材料制成。第一介质层2由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成，第二介质层4由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成，第三介质层6由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成。第一介质层2厚度为58～62um，第二介质层4厚度为1.7～2.1mm，第三介质层6厚度为2.6～3.1mm。第一金属反射层3由金或铜材料制成，第二金属反射层7由金或铜材料制成。第一金属反射层3的周期为245um～280um，第二金属反射层7的周期为300um～340um，第一金属反射层3厚度为0.13～0.17um，第二金属反射层7厚度为0.08～0.12mm。电阻膜层5的阻值为120Ω～180Ω。
下面以单个单元器件为1个方形的大金属环8内部包含4个方形的小金属环9为例描述微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料。微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料包括从上往下依次排列的环形谐振器1、第一介质层2、第一金属反射层3、第二介质层4、电阻膜层5、第三介质层6和第二金属反射层7。第一金属反射层3由金材料制成，周期P1＝260um，第一金属反射层3厚度为0.15um，第一金属反射层3在太赫兹波段的电导率为σ＝1.0×107s/m，在微波段的电导率为σ＝4.55×107s/m。第一介质层2、第二介质层4和第三介质层6均由聚酰亚胺材料制成。第一介质层2、第二介质层4和第三介质层6的厚度分别为d3＝60um、d2＝1.9mm、d1＝2.8mm。第一介质层2、第二介质层4和第三介质层6在太赫兹波段的相对介电常数εr＝1.68，损耗角正切值为0.06；第一介质层2、第二介质层4和第三介质层6在微波波段的相对介电常数εr＝3.5，损耗角正切值为0.03。单个单元器件为1个方形的大金属环8内部包含4个方形的小金属环9，大金属环8和小金属环9的高度均为0.15um，大金属环8和小金属环9均由铬材料制成。大金属环8的横截面宽度ω1＝4um，长度l1＝266um；小金属环9的横截面宽度ω2＝14um，长度l2＝108um。大金属环8和小金属环9在太赫兹波段的电导率σ＝2.2×105s/m，在微波波段的电导率σ＝8.0×106s/m。电阻膜层5的电阻值为140Ω。第二金属反射层7由铜材料制成，第二金属反射层7的电导率σ＝5.8×107s/m，周期P＝320um，第二金属反射层7厚度为0.1mm。上述宽带吸收超材料经过电磁仿真软件CST模拟，其在太赫兹波段的吸收频谱如图3所示，在微波波段的吸收频谱如图4所示。如图3和图4可知，该宽带吸收超材料在太赫兹波段0.48THz～1.02THz范围内吸收率大于90％，相对吸收带宽为128％，在微波波段7.2GHz～21.8GHz范围内吸收率大于90％，相对吸收带宽为143％。
本发明结构简单，可同时在微波及太赫兹两个波段达到宽带高吸收率的效果，且对入射光的偏振态不敏感。本宽带吸收超材料在双波段隐身、无线通信、医学成像和多光谱技术等领域具有巨大的应用潜力。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围。本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：包括环形谐振器、第一介质层、第一金属反射层、第二介质层、电阻膜层、第三介质层和第二金属反射层，所述环形谐振器、第一介质层、第一金属反射层、第二介质层、电阻膜层、第三介质层和第二金属反射层从上往下依次排列，所述环形谐振器由多个单元器件构成，多个单元器件呈周期性排列，所述单元器件包括大金属环和小金属环，小金属环位于大金属环的内侧，大金属环的横截面宽度小于小金属环的横截面宽度。
2.根据权利要求1所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述大金属环和小金属环均为闭合环，大金属环呈方形或圆形或多边形，小金属环呈方形或圆形或多边形。
3.根据权利要求1或2所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：单个单元器件中大金属环的数量为1个，小金属环的数量为2～6个。
4.根据权利要求1或2所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述大金属环的横截面宽度为2um～7um，小金属环的横截面宽度为8um～16um，大金属环的高度为0.1um～0.6um，小金属环的高度为0.1um～0.6um，大金属环的长度为264～268um，小金属环的长度为106～110um。
5.根据权利要求1或2所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述大金属环由金或铬材料制成，小金属环由金或铬材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述第一介质层由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成，第二介质层由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成，第三介质层由聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯或石英材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述第一介质层厚度为58～62um，第二介质层厚度为1.7～2.1mm，第三介质层厚度为2.6～3.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述第一金属反射层由金或铜材料制成，第二金属反射层由金或铜材料制成。
9.根据权利要求1或8所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述第一金属反射层的周期为245um～280um，第二金属反射层的周期为300um～340um，第一金属反射层厚度为0.13～0.17um，第二金属反射层厚度为0.08～0.12mm。
10.根据权利要求1所述的一种微波及太赫兹波段的宽带吸收超材料，其特征在于：所述电阻膜层的阻值为120Ω～180Ω。
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