基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器

随着频谱资源的日益稀缺,太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注,并取得了巨大的进展.由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势,超材料吸收器在太赫兹波段备受关注.本文设计了一种"T"型结构的超材料太赫兹吸收器,同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致,唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这种吸收器都是三层结构,均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明,太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰,其平均吸收率高达96.34%.而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率,可以控制吸收频带的存在与否,同时可以调整吸收峰的频率位置,使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整.当硅的电导率为1600 S/m时,吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz,而且其峰值吸收率达到99.998%.     

基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

线极化与圆极化波均可吸收的太赫兹超表面

利用VO₂嵌入超表面设计了一种实现不同频率,且线极化和圆极化两种模式入射下均产生高效率吸收的太赫兹超表面.当VO₂为绝缘态时,设计的超表面对圆极化波的旋向产生选择性吸收,在1.30 THz处对左旋圆极化波产生的吸收率大于95%,对右旋圆极化波不吸收,圆二色性为0.85.当VO₂为金属态时,在1.95 THz处,该超表面对TE线极化入射波吸收率达到98.5%.结果表明,在线极化和圆极化波入射下,所设计的超表面结构具有良好的广角吸收性能.由于它具有形态简单、易于加工等特点,在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.     

基于电阻型频率选择表面的低频宽带超材料吸波体的设计

基于电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 设计了一种低频宽带、 极化不敏感和宽入射角特性的超材料吸波体. 该吸波体的基本单元由开槽十字型平面超材料(Cave Cross Planar Metamaterial, CCPM)、 RFSS、 电介质基板和金属背板组成. 采用FDTD方法数值模拟得到的结果表明: 相比于单纯的CCPM吸波体、 RFSS吸波体, CCPM和RFSS复合结构吸波体低频吸收特性得到极大改善, 在整个1-5 GHz频率范围内, 吸收率大于80%, 吸收峰值达到98%以上. 数值模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该复合结构吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.     

基于超材料与电阻型频率选择表面的薄型宽频带吸波体的设计

设计了三种类型吸波体, 分别为基于正方形金属贴片(square metal patch, SMP) 结构超材料吸波体、 电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 吸波体和SMP与RFSS的复合结构吸波体. 采用FDTD算法分别对这三种类型吸波体的电磁波吸收特性进行数值模拟分析. 模拟得到的结果表明: 在整个2-30 GHz频率范围内, SMP吸波体, 通过几何参数的设计可以实现多频窄带强吸收; RFSS吸波体, 通过方块电阻的设计可以实现高频宽带强吸收, 但强吸收的带宽有限; SMP与RFSS的复合结构吸波体, 在3-25 GHz之间吸收率大于90%以上, 且宽频范围内与自由空间具有较好的阻抗匹配特性.     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25~35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86%,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25~35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9%,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

双向多频超材料吸波器的设计与实验研究

利用金属线单元组合法, 仿真设计并制作了一种在通信频段(0.8-3GHz)的双向多频超材料吸波器. 仿真与实验结果表明: 该吸波器对于不同极化和宽角度入射的电磁波有三个稳定的吸波频点, 分布在2.04GHz, 2.34GHz和2.65GHz, 吸收率分别达到92.3%, 95.3%和94.7%. 该吸波器设计简单、灵活性强、吸收效果好、易于加工, 为通信领域的电磁屏蔽或抗电磁干扰提供了新的方法. 关键词： 超材料 双向多频吸收 极化不敏感 宽角度入射     

宽带透射吸收极化无关超材料吸波体

提出了一种新的基于磁性吸波体材料的具有低频透射和高频宽带吸收特性的超材料吸波体.该超材料吸波体在1 GHz的透射系数为-0.5 dB,具有较好的低频透射特性,可以实现对低频信号的相互通信;在频率大于8.4 GHz的频段,吸收率均大于80%,基本覆盖整个X波段和Ku波段,实现高频宽带吸收.此外,由于该超材料吸波体的单元金属周期结构具有较好的四重旋转对称性,因而是极化无关的.该透射吸收超材料吸波体设计简单,实用性强,具有较强的潜在应用价值.     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25～35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86％,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25～35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9％,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

一种基于石墨烯的超宽带吸波器

隐身技术对降低飞行器目标的雷达散射截面、提高飞行器目标的生存能力具有重要的意义和价值, 而在飞行器目标上引入吸波器结构是一种重要的隐身手段. 然而, 目前已有吸波器的研究主要集中在单频或多频窄带方面. 为了拓展吸波器工作频带, 基于石墨烯材料提出了一种工作于S/C波段的新型超宽带吸波器模型单元, 其中包含一个用石墨烯材料设计的方圆形双环周期结构. 调节石墨烯的表面阻抗, 使得吸收率超过90%的频带范围为2.1-9.0 GHz, 相对带宽约为124%, 实现了超宽带的吸波特性; 鉴于模型的高度对称性, 提出的吸波器模型表现出对入射波极化不敏感的吸波特性; 在不改变模型结构情况下, 调节石墨烯的静态偏置电场, 亦可调控吸波器谐振在2.0-9.0 GHz频带范围内的任意频率点处, 且达到超过99%的吸收效果. 最后采用等效电路模型方法和波的干涉理论对其吸波机理进行深入研究与分析: 从等效电路角度来讲, 方形和圆形环分别引入高、低吸波谐振频率, 二者优化叠加拓展了吸波带宽; 从干涉理论方面来看, 吸波器表面处的首次反射波与透射波的多次出射波形成较强的干涉相消现象, 有效减少了吸波器的反射回波.     

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

利用相变材料嵌入超表面组成复合结构实现太赫兹移相器,该器件自上而下依次为二氧化钒嵌入金属层、液晶、二氧化钒嵌入金属层、二氧化硅层.通过二氧化钒的相变特性和液晶的双折率特性同时作用实现对器件相位调控.随着外加温度变化二氧化钒电导率发生改变,器件的相位随之产生移动,同样的对液晶层施加不同的电压导致液晶折射率发生变化,器件相位也会有影响.经过这两种介质共同作用,最终实现对太赫兹波相位有效调控.仿真结果验证了该相移器在频率f=0.736 THz时,太赫兹移相器的最大相移量达到355.37°,在0.731—0.752 THz(带宽为22 GHz)频率范围相移量超过350°.这种基于相变材料与超表面复合结构为灵活调控太赫兹波提供了一种新思路,将在太赫兹成像、通信等领域有着广泛的应用前景.     

基于多阶等离激元谐振的超薄多频带超材料吸波体

本文设计了一种超薄螺旋结构超材料吸波体,其厚度(1.034 mm)约为其工作波长(4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz)的(1/60,1/44,1/32,1/23,1/21).仿真和实验结果表明,该吸波体在4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz处吸收率分别达到94.55%、99.89%、99.73%、99.26%和99.41%,实现了多频带强吸收.从表面电流和功率损耗密度两个方面分析了产生强吸收的原因,理论分析表明,多频带强吸收能在五个相邻频率处产生多阶局域表面等离激元谐振,螺旋结构之间强烈的电谐振使超材料结构单元产生强烈的吸收.该超材料吸波体设计简单、易于制作和应用,在电磁波吸收中具有应用价值.     

基于石墨烯超材料的宽频带太赫兹吸收器

为了拓展太赫兹吸收器的相对吸收带宽,设计了一种基于石墨烯超材料的超薄、宽频带、可调谐的太赫兹吸收器,其由图案化石墨烯层、电介质层和金属反射底板层叠构成。仿真结果表明：该吸收器在4.48 THz频率处的吸收率为99.98%,通过调节石墨烯的化学势可使该频点处的吸收率变化至25.08%;同时,该吸收器表现出对入射波极化不敏感的吸收特性,且在太赫兹波倾斜入射的情况下仍能保持一定的宽频带吸收特性。在此基础上设计了基于三层图案化石墨烯的太赫兹吸收器,其可进一步拓展吸收频带宽度,仿真结果表明该吸收器在1.90～5.49 THz频率之间的吸收率高于90%,相对吸收带宽为97%。     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.     

基于偶极子方环交叉元有损电容表面的薄宽带吸波器设计

为了解决常见吸波材料厚度大、吸波频带窄的问题，设计了一种采用新型偶极子方环交叉元结构的带宽大、厚度薄的吸波器，它由导电浆料和氧化铝陶瓷组成。基于有限差分时域方法采用CST软件仿真计算了该吸波器的电磁参数与反射率之间的关系。利用等效介质理论反演得到了吸波器的等效电磁参数与等效阻抗。通过优化偶极子方环交叉元结构的单元尺寸和电路参数，设计的吸波器在11.0～18.0 GHz频率范围内反射率小于-10 dB，厚度为1.6 mm，品质因素（FOM）远高于大多数文献报道的吸波器。研究发现该吸波器的损耗机制为共振损耗和欧姆损耗，组合频率选择表面（FSS）可以增强电磁损耗。实测结果与仿真吻合得较好，该超材料吸波器具有超薄宽带吸收的特性。     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体

仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景. 关键词： 极化无关 透射吸收 超材料吸波体     

数字型太赫兹带通滤波器的逆向设计及优化

针对高性能太赫兹功能器件的规范化设计需求,本文将智能逆向设计方法应用于太赫兹带通滤波器的设计与优化中.建立与数字空间映射的亚波长超表面等效模型,从设定器件的目标功能和约束条件出发,利用智能算法探索整个解空间中的全部可能结构,迭代寻优至最优结构图案.本文利用搭建的逆向设计框架设计了中心频率为0.51 THz、带宽为41.5 GHz、插入损耗为–0.1071 dB的太赫兹带通滤波器.与传统的人工正向设计相比,逆向设计方法可解构出窄带、低插入损耗、带外抑制强、极化稳定性强的带通滤波器.     

光学透明红外与雷达兼容隐身复合超表面

基于透明导电材料氧化铟锡(ITO)、高透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),设计并实现了光学透明超宽带雷达与红外兼容隐身的复合超表面。该结构由两个专门设计的光学透明超表面组成,由内到外依次为雷达吸波层、红外低发射层。通过调节谐振器尺寸和ITO的方阻实现了微波段8.0~32.0 GHz频带内吸收率高于90%的宽带吸波。利用高ITO占空比的容性频率选择表面,实现了微波段高透过率与红外波段低发射率,并进一步研究了其红外辐射特性。该结构具备较好的超宽频雷达吸波性能、低红外发射率与光学透明特性。     

超薄电磁屏蔽光窗超材料吸波器EI北大核心CSCD

提出并验证了一种新型超薄微波超材料吸波器设计。该超材料吸波器由三层金属结构层和两层介质材料层组合而成,并采用两个相同的金属圆环作为双层复合谐振结构单元。该设计与传统的单层谐振结构单元相比,不仅大大减小了吸波器整体结构厚度,而且有效提高了电磁波吸收率。利用有限元电磁模拟对该吸波器内部的空间电磁场及表面电流分布进行仿真与分析,阐述了其电磁吸波物理机理。模拟和实验结果均证实该吸波器具有极化不敏感及宽角度入射稳定特性。该超薄超材料电磁吸波器整体结构简单,占空比低,在电磁屏蔽光窗等领域具有潜在应用。