CN111525277A - 一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹波电磁器件设计领域，一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器,由金属层+介质层+二氧化钒VO₂谐振环构成基本单元，多个基本单元构成平面阵列结构的连续体阵列，形成二氧化钒VO₂谐振环加载于介质层的宽带可调吸波器。本发明不仅结构简单，易于实验制作，厚度较薄，而且通过调节温度对吸波器可实现新的“开关”功能，并达到了带宽延展、偏振无关和入射角不敏感等更优越的吸波性能。

Description

一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器

技术领域

本发明属于太赫兹波电磁器件设计领域，具体涉及一种基于室温相变材料的超材料谐振结构加载于介质层构成的新型宽带可调吸波器的设计。

背景技术

太赫兹波(THz)具有高穿透和光子能量低的独特性质，不会对受到辐射的物体产生电离效应而造成损伤，因而在光谱分析、成像、雷达与通信等方面体现着巨大优势。与此同时，随着太赫兹电磁波的推广应用，其污染问题也随之产生，因此研究太赫兹波的吸收成为非常重要的课题之一。以吸波机制为主的吸波体是消除电磁污染、实现电磁防护等最有效的工具，但由于自然界中的多数材料对太赫兹波只表现出微弱的电磁响应，极大地限制了太赫兹波吸收的进一步发展[陈徐，基于电磁超材料的太赫兹功能器件机理与特性研究。博士学位论文[D]中国科学院大学,2018.6.]。而随着本世纪初超材料的提出，为太赫兹波新型电磁器件的研发提供了广阔的途径。

超材料作为一种人工复合材料，具有常规材料所不具备的许多超常的物理性质，例如负折射现象、完美透镜效应、逆多普勒效应等，主要应用于电磁隐身、完美成像、高性能天线及其它电磁器件等[崔万照等.电磁超介质及其应用[M].国防工业出版社,2008.1.]。基于超材料设计的吸波器成为当前的研究热点之一。与传统电磁吸波器相比，超材料吸波器在提高吸波性能、实现小型化方面有着更好的应用前景。Landy等(N.I.Landy,S.Sajuyigbe,J.J.Mock.A Perfect Metamaterial Absorber[J].Physical ReviewLetters,2008,100,207402)提出一种由金属谐振器、电介质层和金属薄膜组成的新结构，首次从实验上实现了利用超材料对特定电磁波的完美吸收，自此开启了众多学者对超材料吸波器的研究。早期基于金属的超材料结构在共振处色散较高，导致大多数器件的工作带宽都是窄带的，使器件在宽带中的应用受限。随后针对入射角度范围窄、偏振敏感和单一吸收频带等开展了深入研究(如Jinpil Tak,Yunnan Jin,Jaehoon Choi.A dual-bandmetamaterial microwave absorber.Microw.Opt.Techn.Lett.,2016,58(9),2052-2057.；Haiyu Meng,Lingling Wang,Xiang Zhai,et al.A simple design of a multi-bandterahertz metamaterial absorber based on periodic square metallic layer withT-shaped gap.Plasmonics,2018,13,269-274.)

基于VO₂所具有绝缘体-金属相变特征(相变温度为68℃。在其相变过程中，其电导率迅速增大，且这个过程是可逆的)设计的某些可调控带宽的吸波器也有所报道。例如，Zhao等人以三个I型结构为谐振单元，同时叠加VO₂薄层和VO₂谐振单元构造出多层吸波器结构，通过调节温度实现了从0.76-0.86THz到1.12-1.25THz的宽带调节(Yi Zhao,QiupingHuang,Honglei Gai,et al.A broadband and switchable VO₂-based perfect absorberat THz frequency,Opt.Commun.426(2018)443-449.)等。之前有关文献中设计的可调吸波器，虽然均可实现对吸收频带的调节，但仍存在仅有单个吸收峰、吸收谱带宽较窄、结构较为复杂等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高性能、可调控的太赫兹吸波器，即设计一种频带更宽、与偏振无关、对入射角不敏感且具有“开关”可调功能的吸波器件。

本发明所采用的技术方案是：一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器,由金属层+介质层+二氧化钒VO₂谐振环构成基本单元，多个基本单元构成平面阵列结构的连续体阵列，形成二氧化钒VO₂谐振环加载于介质层的宽带可调吸波器。与传统的超材料太赫兹吸波器不同点在于，用室温相变材料(二氧化钒VO₂)谐振环取代金属谐振环，以及环的形状有别于现有文献报道的结构。实际加工时应将基本单元结构进行周期排列，形成多行列组成的阵列结构。由太赫兹波发生器发出的入射波束垂直入射或斜入射到谐振环表面，入射波几乎被全部吸收，反射率接近于零。

底衬的金属层选用导电性能优良的金属，金属层的厚度约为入射波穿透深度的1.5倍，以避免波在表面有泄露。

金属为金、银、紫铜中的一种。

基本单元为横截面为正方形，二氧化钒VO₂由两种不同半径的四个圆环组成，分布于单元结构中正方形表面的两对角线上，且关于轴对称和中心对称。谐振环的尺寸满足谐振频率在太赫兹范围。其它具有轴对称性和中心对称性的正多边形的结构同属此类。

介质层采用FR-4材料。其主要作用是利用太赫兹波在介质层内的多次反射过程对入射波的完全吸收。其它有耗介质也可作为备选介质层。

当外部温度分别高于和低于二氧化钒VO₂相变温度时，VO₂圆环的电导率分别表现出金属和介质属性，从而可实现对射入该吸波体的太赫兹波产生吸收“开关”的调节功能。另外，对吸收效果的检测，需要将反射波束通过光电导天线接收并与终端示波器连接、进行显示。

介质层的主要作用是利用太赫兹波在介质层内的多次反射过程对入射太赫兹波的完全吸收，其厚度没有特别的要求，但考虑到结构的小型化，应尽可能薄些。为了最大化地减少反射，在结构设计时需要与自由空间阻抗匹配。其它具有轴对称性和中心对称性的正多边形的结构与此类同。太赫兹波束可以垂直入射或斜入射到附有VO₂谐振环的上表面。为便于观察吸收效果，可以使入射波沿一个较小的入射角度射入上表面，反射波束从另一侧出射后再通过一种光电导天线的接收装置接入到终端示波器，可得到太赫兹电场的时域波形及频域波形，用以进行检测。

使用时，根据需要将VO₂圆环加载于介质层的宽带可调吸波器贴附在待吸收区域，从一定方向入射的电磁波穿入此结构后，利用谐振腔的谐振特性与等效阻抗匹配原理，出射的波将几乎为零，从而达到对入射波的完美吸收。

本发明的有益效果是：本发明利用VO₂的绝缘体-金属相变特性，达到与自由空间阻抗匹配或严重失配，从而实现吸波特性的“开关”效应，利用不同谐振环具有不同的多次模谐振频率，并通过多个吸收峰的延展达到超宽带吸收效果；对称结构使不同偏振方向、一定范围的斜入射波均可实现高吸收效率。相比于目前已有的金属谐振结构，该吸波器的带宽性能得到了显著提高。整个器件的设计仅需采用普通的微加工技术，制作工艺简单，尺寸超薄，适合大规模应用。这种吸波机制不限于太赫兹波，还可以扩展到微波、红外和可见光波段，这对于可调吸波技术的应用具有积极的推进作用。

本发明在底衬的介质基片结构上加载由两种不同半径VO₂圆环的新型超材料吸波器，不仅结构简单，易于实验制作，厚度较薄，而且通过调节温度对吸波器可实现新的“开关”功能，并达到了带宽延展、偏振无关和入射角不敏感等更优越的吸波性能。其结构和性能在国内外有关文献中未见报道。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明基本单元层结构示意图；

图3本发明VO₂在不同温度时的吸波频谱；

图4本发明与用金属谐振环时吸波器的吸波频谱比较；

图5本发明在不同偏振角度时对应的吸收频谱；

图6本发明在不同入射角度时对应的吸收频谱；

其中：1、金属层；2、介质层。

具体实施方式

本发明利用VO₂具有绝缘体-金属相变的特征，实现对吸波器的开关功能；基于VO₂在相变温度以上具有的金属特性以及介电常数受电导率和频率的影响，采用两种不同半径的VO₂圆环作为超材料谐振结构单元，更易于实现多点谐振。具体结构特征为金属层+介质层+相变材料环为基本单元,底衬由连续的金属薄膜构成，采用Au，其作用是作为反射层；介质层采用FR-4材料；顶层是谐振单元，由四个不同半径的VO₂圆环共面排列组成。其中：单元结构中两个外半径为R的大圆环位于该结构表面的主对角线上，而两个外半径为r的小圆环位于副对角线上。

实例1：

图1中，单元结构表面的横截面边长P_x＝P_y＝50μm,底衬金属薄膜采用Au作为反射层，金属薄膜厚度h_g＝0.2μm；介质层采用介电常数为e_r＝4.3(1+0.025i)的FR-4材料，厚度h_s＝4μm；顶层的谐振单元由两组不同半径的VO₂圆环共面排列而成，VO₂圆环厚度为h_r＝0.2μm,大环半径为R＝12μm，小环半径为r＝8μm，圆环径向宽度为w＝3.5μm。考虑到实际加工的方便，本实施例中圆环结构的横截面采用矩形，其它结构如椭圆形、圆形亦可。VO₂的介电常数采用

式中的高频介电常数e_￥＝12，碰撞频率g＝5.75·10¹³rad/s，而等离子频率w_p与电导率相关，

VO₂在300K时属于半导体相，在温度高于相变温度时表现为金属性质，根据参考文献中的数据选择：T＝300K,s＝2·10²S/m；T＝350K,s＝2·10⁵S/m。

对于VO₂加载结构在两种温度下吸波能力的区别可以用电磁理论中阻抗匹配原理并结合图3加以说明。设吸波体的相对等效波阻抗为Z，自由空间的相对阻抗为Z₀＝1，吸波器的等效阻抗由以下公式表示

阻抗：

反射率：

当Z＝Z₀时，称阻抗匹配，此时R(ω)＝0，即可达到完美吸收。

用仿真软件CST对图1和图2所示的吸波器结构分别在300K与350K时入射电磁波的频率与吸收率关系进行了仿真，并与采用金属谐振环取代VO₂圆环得到的结果进行比较，如图3、4所示。从图3中可以看出，当VO₂的温度为300K时吸收率在6-12THz范围内始终低于20％，大部分电磁波被反射回去，此时相当于吸波器处于“关闭”状态；而当VO₂的温度为350K时却呈现出截然不同的吸收特性，在相同频率范围内吸收率显著提高，特别是在8.09-11.23THz的带宽范围内吸收率始终保持在90％以上，带宽达3.14THz，比前述文献中的带宽更宽。此时的吸波器相当于“打开”状态，具有良好的宽带吸收性能。图4表示谐振单元分别为VO₂圆环和相同尺寸的金属(金)圆环时的吸收谱线。从中可以看到，虽然单纯的金属圆环加载的结构呈现了三个高吸收峰，但带宽较窄。对于VO₂在温度高于相变温度时虽然也表现为金属性质，但与金属比电导率的频散特性更为明显，因而通过各自圆环及不同环产生电磁谐振时，更易于在多个频点满足谐振条件，从而使频带得以展宽。由此可见，VO₂作为谐振单元，不仅有利于提高吸收率，更能够实现对吸收带宽的扩展。

为了证明本发明采用VO₂谐振环对于不同偏振角和不同入射角情况下的吸波效果，分别取电场强度与x轴夹角为0-80°的方向、电场沿y轴时入射角为0-80°的入射波方向的吸波频谱进行了仿真，其结果如图5、6所示。图5为入射波的频率取为6-12GHz范围内吸收率与偏振角度的关系。从中可以看到，随着偏振角度从0°增大到80°，在8.09～11.23THz带宽范围内吸收率的大小均未发生明显变化，均保持90％左右，这表明该吸波器具有良好的偏振无关性，适用于各种偏振角度的电磁波入射。这主要源于所设计的吸波器中的谐振环不仅关于主副对角线具有对称性，而且圆环形的谐振器对于不同偏振方向的电磁波所引起的谐振响应差异不大。图6为不同入射角度时在相同频率范围内对应的吸收率。可以看到，入射角较小时在8.09-11.23THz带宽范围内吸收率达到90％且基本不变，但是当入射角度大于45°时，吸收率开始有所减小，虽然吸收带宽逐渐变窄，但斜入射情况下依然能实现2.41THz的宽带吸收。随着入射角度进一步扩大至70°，低频处的吸收率有明显下降，但在9.5-10.5THz的良好吸收基本未受到影响。这是因为当电场沿y轴，磁场强度的水平分量随入射角的增大而减小，导致耦合和吸收率的减小。由此可见，该吸波器的吸收性能在较大的入射角范围内受到影响，但即使在入射角度为70°也能保持1THz的宽带吸收，基本具备宽角度入射的优良特性。本发明并不局限于上述的具体实施方式，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，谐振环的结构还可采用其它一些形式，如用多边形形状，环内搭建其它形式对称结构；采用高介电常数介质层、高电导率金属底衬等，均属本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器，其特征在于：由金属层+介质层+二氧化钒VO₂谐振环构成基本单元，多个基本单元构成平面阵列结构的连续体阵列，形成二氧化钒VO₂谐振环加载于介质层的宽带可调吸波器。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器的特征在于：底衬的金属层选用导电性能优良的金属，金属层的厚度约为入射波穿透深度的1.5倍。

3.根据权利要求2所述的一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器的特征在于：金属为金、银、紫铜中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器的特征在于：基本单元横截面为正方形，二氧化钒VO₂谐振环由两种不同半径的四个圆环组成，圆心都分布于单元结构中正方形表面的两对角线上，且关于轴对称和中心对称。

5.根据权利要求1所述的一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器的特征在于：介质层采用FR-4材料。

6.根据权利要求1所述的一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器的特征在于：当外部温度分别高于和低于二氧化钒VO₂相变温度时，VO₂圆环的电导率分别表现出金属和介质属性，从而可实现对射入该吸波体的太赫兹波产生吸收“开关”的调节功能。

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