CN112397906A - 入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,包括金属底板和呈对称以及阵列式排列在所述金属底板上的阵列单元,单个阵列单元包括一个陶瓷颗粒以及一个与所述陶瓷颗粒同心的谐振环。本发明提供的太赫兹波吸收器在1.8THz附近可达到对电磁波近100%的吸收,实现对该频段电磁波的完美吸收,在不同的极化角度情况下有着相同的吸收响应曲线,因而其有着极化不敏感性,当极化角度不断变化时,对电磁波的吸收性能不受影响,并且制备工艺简单,能够解决现有的太赫兹波段吸波材料结构复杂、制备困难、对极化敏感和入射角过窄等弊端。
Description
技术领域
本公开涉及一种入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器。
背景技术
太赫兹波是指频率范围在0.1-10THz之间的电磁波,介于微波和红外光之间的电磁波。微波是频率在300MHz-3000GH之间的电磁波,红外电磁波是指波长在0.76~1000μm之间的电磁波。目前各种吸波器的研究主要集中在人工金属周期结构上,例如SRR和金属线复合材料以及其衍生结构,利用金属线组成的电单元和SRR构成的磁单元。太赫兹波具备宽带性、低能性、瞬态性,使得太赫兹波多个领域受到了相当广泛的应用。除此之外,太赫兹在半导体制作、新型超导材料等相关领域也有重大的发展。太赫兹应用技术的实用化和商品化,除了太赫兹源和太赫兹探测器件外,还需要各种各样的太赫兹功能材料和器件。然而,这些功能材料和器件的研究至今尚不成熟,很多还无法满足实际应用的需求。因此具有实际应用意义的吸波材料有着非常广泛的市场。
介电常数和磁导率是电磁波在物质中传播的重要物理量,决定传播特性。目前主流的太赫兹吸波材料是通过人工电磁超材料来实现吸波的,它们通常是一种金属—介质—金属的三层结构,通过设计和优化超材料单元的尺寸、结构和排列方式,在特定频率下,使其阻抗与自由空间相匹配,从而达到吸收电磁波的效果。
高介电颗粒能够与入射电磁波相互作用产生介电极化,极化作用产生的位移电流在特定的频率下能够形成磁偶极子、电偶极子及更高谐振模态。介电常数和磁导率决定了电磁波在介质中的传播特性,电磁波的损耗包括电损耗和磁损耗,复介电常数的实部和虚部直接决定了电损耗的大小,同理,磁导率的实部和虚部能直接表现出磁损耗的强度。利用介质颗粒在谐振模态下产生的电磁谐振来调控结构单元的等效介电常数和等效磁导率,实现阻抗匹配。
目前常用的作为吸收电磁波的高介电材料是钛酸钡,大多采用参杂其他材料对其吸波性能进行改进,而钛酸钡的制备常采用高温固相和化学沉淀的方法,高温固相法制备的钛酸钡粉末含有少量的碳酸钡和二氧化钛等杂质,晶粒尺寸分布不均匀,化学共沉淀法制备的钛酸钡粉末存在较为严重的团聚现象,影响其吸波效果,而参杂其他材料会加大制作工艺的难度,因此这样的吸波材料会存在制作工艺复杂且功能单一的缺点。
传统的超材料太赫兹吸收器具有以下不足:(1)在吸波器的实际应用中,对偏振方向的敏感度也是非常重要的,吸波器对电磁波的入射角度和偏振方向敏感,当其角度与偏振方向剧烈变化时,会造成对其吸波性能的严重影响;(2)采用人工超材料和多层结构的超材料吸收器,工艺复杂,大面积制备更是难以实现。另外,为了提高器件带宽等目的而采取的措施,会进一步加大设计和加工器件的难度。由于超材料太赫兹吸收器件的这些不足,极大限制了吸波材料在太赫兹系统中的实际应用。
发明内容
本发明提供一种入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,解决现有的太赫兹波段吸波材料结构复杂、制备困难、对极化敏感和入射角过窄等弊端。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:
一种入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,包括金属底板和呈对称以及阵列式排列在所述金属底板上的阵列单元,单个阵列单元包括一个陶瓷颗粒以及一个与所述陶瓷颗粒同心的谐振环,所述谐振环贴合所述金属底板的上表面,所述高介电陶瓷颗粒位于所述金属底板之上,不直接接触所述金属底板。
优选地,所述陶瓷颗粒材料为钛酸钙,所述谐振环的材料为钛酸锂,所述金属底板的材质为铝片或铜片。
优选地,所述陶瓷颗粒的形状任选自球形、正方体、圆柱体;所述谐振环的形状任选自圆环、矩形环、多边形环。
优选地,所述高介电陶瓷颗粒及同心环尺寸均为um级。
优选地,所述陶瓷颗粒的直径或边长为3~10um,谐振环的宽度为1~2um,相邻两陶瓷颗粒之间的距离为20~28um,陶瓷颗粒底部与金属底板之间的距离为5~8.5um。
优选地,所述高介电陶瓷颗粒通过绝缘材料粘贴在所述金属底板上或者镶嵌在所述金属底板上。
本发明还提供上述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器的应用,通过调节陶瓷颗粒的大小、形状、介电常数,金属底板的材质,陶瓷颗粒以及金属底板之间的距离来调节阵列单元表面的有效介电常数和磁导率,使其达到良好的吸收效果。
当颗粒尺寸远小于入射波长时,颗粒复合物的宏观电磁性质可以用有效电磁参数来表示。通过调节颗粒的大小、形状、距离、金属板的电导率、颗粒与金属板的距离以及它们之间的介质来调节吸波材料表面的有效介电常数和磁导率,使得其电磁参数与自由空间达到完美的阻抗匹配,从而得到表面反射率为零,金属板的存在使得电磁波透过率为零,电磁能量在吸波材料内部通过介电损耗和谐振损耗等被完全消耗。
本发明提出的入射角度与极化角度不敏感的吸波具有如下有益效果:
(1)该太赫兹波吸收器在1.8THz附近可达到对电磁波近100%的吸收,实现对该频段电磁波的完美吸收。
(2)该太赫兹吸波器在不同的极化角度情况下有着相同的吸收响应曲线,因而其有着极化不敏感性,当极化角度不断变化时,对电磁波的吸收性能不受影响。
(3)该太赫兹吸波器的结构简单,因而其制作工艺也相对简单,能有效解决传统太赫兹超材料吸波器加工工艺的技术瓶颈,单元结构难以小型化,难以实现大尺寸左手材料样品等问题。
(4)该太赫兹吸收器,在TE和TM极化波下,随着入射角度的增加,吸收率有略微下降,在0°至50°间,吸收率的曲线变化不明显,在吸收峰值处均能保持在80%的吸收率以上。因此,在入射波从不同角度入射时,该吸波结构也能保证较好的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例一提供的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器的俯视图;
图2为本发明实施例一提供的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器的单元结构侧视图;
图3为本发明实施例一提供的钛酸钙陶瓷颗粒的介电常数随频率变化图;
图4为本发明实施例一提供的吸波器的吸收率随频率变化的曲线;
图5为本发明实施例一提供的吸波器在不同极化角度下的吸收率随频率变化的曲线;
图6为本发明实施例一提供的吸波器在TE极化模式中,不同入射角度下的吸收率随频率变化曲线;
图7为本发明实施例一提供的吸波器在TM极化模式中,不同入射角度下的吸收率随频率变化曲线;
图8为本发明实施例二提供的吸波器在理想电磁波入射时的吸收率曲线。
具体实施方式
本发明实施例的主要思路是:
(1)设计一种极化不敏感与入射角不敏感的吸波器,该吸波器在设计结构上采用对称以及阵列的排列方式,结构如图1~2所示,以高介电陶瓷颗粒为主体,介质材料为CaTiO3,简称CTO,由于电磁波难以透过金属层,使得透射几乎为零,所以使用金属作为吸收器的底层,因而确定其吸波器的结构组成。
(2)以陶瓷颗粒的单元结构作为模型进行仿真模拟,与x轴垂直的两个面设置为完美电壁,与y轴垂直的两个面设置为完美磁壁,与z轴垂直的两个面分别设置为输入和输出端口,即开放边界条件。以上边界条件的设置相当于模拟了多个单元结构周期性排列,表明在垂直于电磁波传播的方向有无限多个单元材料在周期性排列进行电磁仿真。
(3)通过调整陶瓷颗粒的大小,形状、距离、高介电颗粒与金属板的距离以及它们之间的介质来调节吸波材料表面的有效介电常数和磁导率,使得其电磁参数与自由空间达到完美的阻抗匹配,从而达到良好的吸波性能。
(4)为测试该吸波器对极化角度与入射角度的敏感性,在仿真模拟中,不断改变极化角度和电磁波的入射角度,观察其在不同极化角度和入射角度下的吸收性能。
实施例1
一种入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,这种太赫兹吸波器由金属底板以及位于所述金属底板上的多个阵列单元构成,每个阵列单元由CTO陶瓷颗粒及钛酸锂(LiTiO3,简称LTO)谐振环构成。所述CTO陶瓷颗粒的形状为球形,LTO谐振环为圆环,CTO陶瓷颗粒及LTO圆环尺寸均为um级,其中阵列单元中CTO陶瓷颗粒直径在10um,LTO谐振环的宽度为2um,相邻两陶瓷颗粒之间的距离为20um,LTO陶瓷颗粒通过环氧树脂胶粘粘固定在金属底板上表面,与金属底板之间的距离为8.5um。
CTO介质材料的色散参数为:ε0=190,ε∞=5.6,ωT=3.3THz,γ=0.8THz。由于底层金属可以减少电磁波的透射,而铜、铝是比较经济性易获得的金属,因而将金属底板选为铜片或铝片。由于该太赫兹吸波器中有多个阵列单元阵列排列,这里选择了一个5*5的阵列结构的实例,对该吸波器的吸波特性进行模拟。模拟过程中,电磁波由y方向入射,垂直于y方向的两个面设置为电磁波激励波口;将其余四个面设置为周期性边界条件,其中垂直于x方向的两个面设置为理性磁壁,垂直于z方向的两个面设置成理想电壁,由此形成一个完整的单元结构的仿真模拟。以上边界条件的设置用于模拟一个5*5的周期性结构吸波器。
由于金属板对电磁波是完全反射的,因而在测试端口,测试到的S参数就能反应了介质颗粒在该频段内的吸收效果。其吸收率公式如式A(ω)=1-R(ω)-T(ω),其中R(ω)=|S21|2与T(ω)=|S21|2分布表示材料的反射率和透射率。由上式可以推导出该吸波器在太赫兹范围的吸收率,通过推导计算及分析得到该吸波器的电磁波吸收曲线。所以在1.8THz附近频率吸收强度最大。其吸收率曲线如附图5所示。
为分析该太赫兹吸波器在不同极化角度下的吸波情况,在垂直入射情况下,将该5*5的周期性结构的吸波器在其法线方向上顺时针旋转30°、60°、90°。并对每个不同角度下的吸收率进行仿真,得到其在不同极化角度下相应的吸收率曲线,如附图5所示。仿真模拟结果表面该吸波器在不同极化角度下的吸收率曲线均无明显变化,其吸收性能不受影响。
为分析该吸波器在不同入射角度下的吸波情况,分别在TE和TM极化模式下改变角度依次为0°、10°、20°、30°、40°、50°,从不同的入射角进行仿真模拟,其TE极化模式下不同入射角度下的吸收率曲线如图附6所示,TM极化模式下不同入射角度下的吸收率曲线如附图7所示。在TE和TM极化波下,随着入射角度的增加,吸收率有略微下降,在0°至50°间,吸收率的曲线变化不明显,在吸收峰值处均能保持在80%的吸收率以上。因此,在入射波从不同角度入射时,该吸波结构也能保证较好的性能。
实施例2
所述CTO陶瓷颗粒的形状为边长为3um的正方体,LTO谐振环为一个矩形环外边长为5um,内边长为4um,相邻两陶瓷颗粒之间的距离为20um,LTO陶瓷颗粒通过环氧树脂胶粘贴固定在金属底板上表面,与金属底板之间的距离为5um。周期性排列的吸波器在理想电磁波入射时的吸收率曲线如图8所示。CTO正方体介质颗粒的边长为3um,其吸收率的峰值向低频有所移动,峰值略有下降,但吸收峰值始终在90%以上。
由于CTO这种介质是高介电颗粒,高介电颗粒可以产生谐振型的介电色散,而这种Mie电谐振的谐振频率一般会随着颗粒介电常数的增加而升高。同时高介电颗粒可在某频率附近产生负磁导率,以及介电谐振随着CTO介质球尺寸的增加,位置逐渐向低频移动,谐振强度也有所增加。因此随着CTO介质球大小的变化,CTO球尺寸减小,吸收峰值向高频移动,在调整高介电陶瓷颗粒及谐振环的尺寸时,能根据需求适当调节吸收峰值所在的电磁波频段。
Claims (7)
1.一种入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,其特征在于,包括金属底板和呈对称以及阵列式排列在所述金属底板上的阵列单元,单个阵列单元包括一个陶瓷颗粒以及一个与所述陶瓷颗粒同心的谐振环,所述谐振环贴合所述金属底板的上表面,所述高介电陶瓷颗粒位于所述金属底板之上,不直接接触所述金属底板。
2.如权利要求1所述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,其特征在于,所述陶瓷颗粒材料为钛酸钙,所述谐振环的材料为钛酸锂,所述金属底板的材质为铝片或铜片。
3.如权利要求1所述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,其特征在于,所述陶瓷颗粒的形状任选自球形、正方体、圆柱体;所述谐振环的形状任选自圆环、矩形环、多边形环。
4.如权利要求1所述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,其特征在于,所述高介电陶瓷颗粒及同心环尺寸均为um级。
5.如权利要求1所述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,其特征在于,所述陶瓷颗粒的直径或边长为3~10um,谐振环的宽度为1~2um,相邻两陶瓷颗粒之间的距离为20~28um,陶瓷颗粒底部与金属底板之间的距离为5~8.5um。
6.如权利要求1所述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器,其特征在于,所述高介电陶瓷颗粒通过绝缘材料粘贴在所述金属底板上或者镶嵌在所述金属底板上。
7.如权利要求1~6任一项所述的入射角与极化不敏感的太赫兹吸波器的应用,其特征在于,通过调节陶瓷颗粒的大小、形状、介电常数,金属底板的材质,陶瓷颗粒以及金属底板之间的距离来调节阵列单元表面的有效介电常数和磁导率,使其达到良好的吸收效果。
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EP4142449A1 (fr) * | 2021-08-23 | 2023-03-01 | Thales | Dispositif d'absorption d'onde électromagnétique |
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Publication number | Publication date |
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CN112397906B (zh) | 2022-11-04 |
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