CN214124131U

CN214124131U - 基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器

Info

Publication number: CN214124131U
Application number: CN202022674709.3U
Authority: CN
Inventors: 万宝飞; 潘浩; 章海锋
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2030-11-18

Abstract

本实用新型公开了一种基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，包括金属底板，所述金属底板上依次叠设有第一介质基板、第一金属谐振器、第二介质基板、第二金属谐振器，所述第一金属谐振器、第二金属谐振器设置为双螺旋结构。基于双螺旋结构的优良性质，实现了吸波器在THz波段的宽带吸收，并且TM模式下的吸收性能优于TE模式下的吸收性能；基于较小的物理尺寸，实现对太赫兹电磁波的吸收，具有设计新颖、安全性高、应用范围广、功能性强等特点。

Description

基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器

技术领域

本实用新型涉及一种吸波器，尤其涉及一种基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器。

背景技术

超材料是指一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料，如负介电常数、负磁导率等的人工复合结构或复合材料。通过在关键的物理尺度上的巧妙设计，可以突破某些表观自然规律的限制，获得常规材料所不具备的某些物理特性。超材料的尺寸远远小于它的工作波长。迄今，发展出的超材料包括：“左手材料”、“光子晶体”和“超磁性材料”等。由于其独特的物理特性，已经引起了国内外学者的广泛研究。把功能材料的设计与开发，带入了一个新的天地。

现如今，由于电子产品的普及，电磁辐射对人类生活的影响越来越大。在医疗领域，医疗器件会因为过大的电磁辐射而出现偏差，在军事领域，制导系统会因为太高的电磁辐射而发生偏差等。此外，过高的电磁辐射也会对人类的身体健康产生巨大影响。因此，为了更好的利用电磁波及消除其负面影响，吸波器成为研究的一大方向。这是一种通过特殊的结构和材料使入射到其表面的电磁波吸收并转化成其他能量损耗掉的器件。基于常规材料的吸波器因体积庞大，制造复杂，调节不灵活的缺点，极大的限制了吸波器件的发展。2008年，科研人员首次提出完美吸波的吸波结构，这种结构具有高吸收率、轻便、结构简单等特点。此后，随着超材料的发展，超材料吸波器逐渐成为了研究热点。

随着科学技术的发展，微波与红外光之间的波段的研究已经不能完全满足人们的发展需要，因此一种介于它们之间的THz波段逐渐引起人们的关注。以往的吸波器研究，往往都是在微波和红外波段，而且窄带吸收居多，而THz吸波器的出现，为研究超宽带吸收提供了新的发展方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，通过双螺旋结构的优良性质，实现了吸波器在THz波段的宽带吸收，并且TM模式下的吸收性能优于TE模式下的吸收性能。

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

本实用新型提供了基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，包括金属底板，所述金属底板上依次叠设有第一介质基板、第一金属谐振器、第二介质基板、第二金属谐振器，所述第一金属谐振器、第二金属谐振器设置为双螺旋结构。

进一步地，所述第一金属谐振器、第二金属谐振器分别包括两个L形谐振结构贴片，两个矩形谐振结构贴片以及双螺旋结构贴片，两个L形谐振结构贴片和两个矩形谐振结构贴片均关于所述双螺旋结构贴片的中心对称。

进一步地，所述双螺旋结构贴片由离散双环型结构单元构成的准双螺旋结构贴片和渐变型双螺旋结构贴片连接形成。

进一步地，所述第一金属谐振器对应的由离散双环型结构单元构成的准双螺旋结构贴片是由离散双环型结构单元构成的准单螺旋结构贴片旋转180°形成，所述第一金属谐振器对应的渐变型双螺旋结构贴片是由渐变型单螺旋结构贴片旋转180°形成。

进一步地，由离散双环型结构单元构成的准单螺旋结构贴片，准单螺旋结构贴片中心的结构单元由一个金属环构成，其余的结构单元均为由两个中心重合的金属环嵌套而成的离散双环型结构单元。

进一步地，所述第一金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片长边的长度为35μm，短边的长度为27μm，宽度为5μm。

进一步地，所述第一金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的长度为50μm，宽度为5μm，所述第一金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的外侧与所述第一金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片的中心之间的距离为81μm，所述第一金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片与所述第一金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片之间的距离为29μm。

进一步地，所述第二金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片由所述第一金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片顺时针旋转90°，并按照比例1：0.72缩小设置。

进一步地，所述第二金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片长边的长度为25μm，短边的长度为12.5μm，宽度为5μm。

进一步地，所述第二金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的长度为25μm，宽度为5μm，所述第二金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的外侧与所述第二金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片的中心之间的距离为77μm，所述第二金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片与所述第二金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片之间的距离为39.5μm。

本实用新型的有益效果如下：

基于双螺旋结构的优良性质，实现了吸波器在THz波段的宽带吸收，并且TM模式下的吸收性能优于TE模式下的吸收性能；

基于较小的物理尺寸，实现对太赫兹电磁波的吸收，具有设计新颖、安全性高、应用范围广、功能性强等特点。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器的结构图；

图2为根据图1的分解示意图；

图3为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器中的第一金属谐振器的俯视图；

图4为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器中的第二金属谐振器的俯视图；

图5为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器的单元周期性排列的(2×2)阵列图；

图6为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器在TE模式和TM模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线图；

图7为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器的电磁波入射角对TE模式下吸收曲线的影响图；

图8为根据本实用新型实施例提供的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器的电磁波入射角对TM模式下吸收曲线的影响图。

具体实施方式

本实施例提出的一种基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，可以通过渐进式设置尺寸对金属谐振器的螺旋结构进行设计调控，从而实现吸波器在太赫兹波段特定频率区域范围内的良好吸波。该吸波器由单元结构周期排列而成。其结构单元立体图如图1所示，包括底层金属底板1、介质基板2、4，以及金属谐振器3、5。

图2为该吸波器的分解示意图，由下往上，分别为金属底板，第一层介质基板，第一层金属谐振器，第二层介质基板，第二层金属谐振器。其中，金属谐振器由金属金构成，电导率为4.561×10⁷S/m，金属底板材料为铜，电导率为5.96×10⁷S/m，厚度都是0.035μm。介质基板材料为聚酰亚胺，相对介电常数为ε_r＝3.5+0.2j，厚度分别为h₁＝7.2μm和h₂＝6.2μm，式中j指的是虚部。整体结构呈现截断的锥形状，最底层的金属底板的下底面长和宽均为a＝178.125μm,最上层的介质基板的上底面长和宽均为173.125μm。

本例中，通过双螺旋结构的渐进式设计排列方式，并且整体结构呈现截断的锥形状，从而实现了吸波器在THz波段的宽带吸收。并且TM模式下的吸收性能优于TE模式下的吸收性能。

图3是第一层金属谐振器的俯视图。第一金属谐振器包括两个L形谐振结构贴片，两个矩形谐振结构贴片以及双螺旋结构贴片，两个L形谐振结构贴片和两个矩形谐振结构贴片均关于双螺旋结构贴片的中心对称；

双螺旋结构贴片由离散双环型结构单元构成的准双螺旋结构贴片和渐变型双螺旋结构贴片连接形成。

对于渐变型单螺旋结构，渐变指的是连续金属条的宽度的渐变，金属条内侧满足方程r_n＝13.2+56.7*θ,金属条外侧满足方程r_w＝13.5+58.05*θ，其中r_n，r_w表示金属条的内侧边缘和外侧边缘到达结构中心的距离，θ表示从+x方向开始旋转的角度。将该单螺旋结构旋转180°，即可得到双螺旋结构。

对于由离散双环型结构单元构成的准单螺旋结构，谐振器最中心的结构单元只由一个金属环构成，半径为r＝3.5μm，其余的结构单元均为由两个金属环嵌套而成的离散双环型结构单元，由内向外螺旋的过程中，半径依次在r的基础上增加0.2μm,共有24组离散双环型结构单元。两个金属环的中心重合，r表示的是金属环中心到外侧金属环外边缘的距离。

金属环的中心到金属谐振器的结构中心的距离用r_g表示，满足：r_g＝9+6.7*θ，θ表示从+x方向开始旋转的角度。每个金属环的厚度用w＝0.7μm表示,由内向外，厚度依次在w的基础上增加0.1μm。两个金属环之间的距离用s＝0.8μm表示，由内向外，距离依次在s的基础上增加0.1μm。将上述描述的准单螺旋结构旋转180°，即可获得离散双环型结构单元构成的准双螺旋结构。如图3所示，位于准双螺旋结构的一角的L形谐振结构贴片，短边的长度为l₁＝27μm，长边的长度为l₂＝35μm，宽度为5μm。另一角的L形谐振结构贴片与之呈中心对称。位于准双螺旋结构的一侧的矩形谐振结构贴片，长度为l₃＝50μm，宽度为5μm。另一矩形谐振结构贴片与之轴向对称。L形谐振结构贴片与矩形谐振结构贴片距离为l₄＝29μm，矩形谐振结构贴片的外侧与金属谐振器的中心的距离为l₅＝81μm。

图4是第二层金属谐振器的俯视图。其中的双螺旋结构由第一层金属谐振器中的双螺旋结构顺时针旋转90°，并按照比例n＝0.72缩小。但是对于L形谐振结构贴片，短边的长度为l₆＝12.5μm，长边的长度为l₇＝25μm，宽度为5μm，对于矩形谐振结构贴片，长度为l₈＝25μm，宽度为5μm。L形谐振结构贴片与矩形谐振结构贴片距离为l₉＝39.5μm，矩形谐振结构贴片的外侧与金属谐振器的中心的距离为l₁₀＝77μm。

该吸波器的相关参数如表1所示。

参数	h<sub>1</sub>	h<sub>2</sub>	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	l<sub>3</sub>	l<sub>4</sub>
							值(μm)	7.2	6.2	27	35	50	29
参数	l<sub>5</sub>	l<sub>6</sub>	l<sub>7</sub>	l<sub>8</sub>	l<sub>9</sub>	l<sub>10</sub>
							值(μm)	81	12.5	25	25	39.5	77
参数	s	w	r	n	a
							值(μm)	0.8	0.7	3.5	0.72	178.125

表1

该吸波器周期性排列的(2×2)阵列图如图5所示。图6是该吸波器工作在TE、TM模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线，该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的。在TE模式下，吸收率达到0.9附近的带宽是2.6-5.18THz,相对带宽是69.7％，而对于TM模式下，吸收率达到0.9附近的带宽是2.45-5.62THz，相对带宽是84.3％。可以看出，TM模式下吸收性能是明显优于TE模式下的，该吸波器对极化状态是敏感的。图7是TE模式下，电磁波入射角对吸收曲线的影响，在入射角为0°，吸收率达到0.9附近的带宽是2.6-5.18THz，在10°时，带宽是2.59-5.21THz,在20°时，带宽是2.5-5.33THz，在0-20°范围内，吸收比较稳定。而在入射角达到30°时，吸收率达到0.9附近的带宽是2.49-4.44THz，吸收带宽明显降低，严重影响吸波器的功能。图8是TM模式下，电磁波入射角对吸收曲线的影响，当入射角分别为0°，10°，20°，30°，40°时，吸收率达到0.9附近的带宽分别是2.45-5.62THz，2.45-5.74THz，2.52-5.87THz，2.69-5.95THz，2.82-5.97THz，带宽总体保持稳定，相比于TE模式，TM模式角度稳定性更好。

在经过特定的设计(渐进式双螺旋结构)后，本实用新型可实现该吸波器在THz波段的宽带吸收，其主要吸收都是由金属谐振器引起，可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，本实用新型具有设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。

以上对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，当然，本实用新型还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本实用新型的保护范围内。

Claims

1.基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，包括金属底板，所述金属底板上依次叠设有第一介质基板、第一金属谐振器、第二介质基板、第二金属谐振器，所述第一金属谐振器、第二金属谐振器设置为双螺旋结构。

2.根据权利要求1所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第一金属谐振器、第二金属谐振器分别包括两个L形谐振结构贴片，两个矩形谐振结构贴片以及双螺旋结构贴片，两个L形谐振结构贴片和两个矩形谐振结构贴片均关于所述双螺旋结构贴片的中心对称。

3.根据权利要求2所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述双螺旋结构贴片由离散双环型结构单元构成的准双螺旋结构贴片和渐变型双螺旋结构贴片连接形成。

4.根据权利要求3所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第一金属谐振器对应的由离散双环型结构单元构成的准双螺旋结构贴片是由离散双环型结构单元构成的准单螺旋结构贴片旋转180°形成，所述第一金属谐振器对应的渐变型双螺旋结构贴片是由渐变型单螺旋结构贴片旋转180°形成。

5.根据权利要求4所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述准单螺旋结构贴片中心的结构单元由一个金属环构成，其余的结构单元均为由两个中心重合的金属环嵌套而成的离散双环型结构单元。

6.根据权利要求4所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第一金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片长边的长度为35μm，短边的长度为27μm，宽度为5μm。

7.根据权利要求6所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第一金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的长度为50μm，宽度为5μm，所述第一金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的外侧与所述第一金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片的中心之间的距离为81μm，所述第一金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片与所述第一金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片之间的距离为29μm。

8.根据权利要求2所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第二金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片是由所述第一金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片顺时针旋转90°，并按照比例1：0.72缩小。

9.根据权利要求8所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第二金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片长边的长度为25μm，短边的长度为12.5μm，宽度为5μm。

10.根据权利要求9所述的基于双螺旋结构的超材料宽带吸波器，其特征在于，所述第二金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的长度为25μm，宽度为5μm，所述第二金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片的外侧与所述第二金属谐振器中对应的双螺旋结构贴片的中心之间的距离为77μm，所述第二金属谐振器中对应的L形谐振结构贴片与所述第二金属谐振器中对应的矩形谐振结构贴片之间的距离为39.5μm。