摘要:设计并加工了一种超薄柔性透射型吸收器, 总体厚度为0.288 mm, 可实现柔性弯曲, 容易做到与曲面目标共形. 该吸收器由三层结构组成, 底层是金属光栅, 中间为介质层, 表面单元由两条平行放置的尺寸不同的金属线组成. 仿真和实验结果表明, 对横电波在5和7 GHz的吸收分别达到97.5%和96.0%, 对横磁波在3.0―6.5 GHz都能保持90%以上的透射率. 两个吸收频点可分别独立调节, 增加了设计的灵活性. 另外, 当入射角增大到60° 时, 该吸收器的性能基本不受影响, 表现出良好的广角特性.
关键词: 超构材料吸收器/
超薄柔性/
双频吸收/
高效透射

English Abstract

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近年来, 超构材料吸收器（metamaterial absorber, MA）由于具有结构薄、效率高、频带可调等优势受到了广泛关注, 在能量收集^[1]、生物传感 ^[2]、亚波长成像^[3]、选择性热辐射^[4]、光电探测^[5]、偏振调控^[6]等方面有重要的应用前景. Landy等^[7]首次提出的完美超构材料吸收器 (prefect metamaterial absorber, PMA)由表层金属谐振环 (electric ring resonators, ERRs）、中间的介质层以及底部的金属线组成, 该结构在单频点对横磁 (transverse magnetic, TM) 波实现了高效吸收, 对横电 (transverse electric, TE) 波几乎完全反射. 随后, 超构材料吸收器的研究拓展到了不同的频段, 如微波段^[8-11]、太赫兹^[12-16]、红外^{[17, 18]}以及可见光^{[19, 20]}频段. 与此同时, 单频吸收器也被拓展到了双频^[21]、三频^[22]、多频^[23]以及宽频^[24]. 其中, 双频吸收器近年来受到了足够重视并得到了广泛研究^[25-32]. Wen等^[21]通过设计表层金属开口谐振环 (electric split-ring resonator, ESRR)、中间的介质以及金属底板的三层结构首次实现了双频吸收器. 随后, 基于双方形环单元^[25]、非对称十字型单元^[26]、开口谐振环单元^{[27, 28]}、非对称T型单元^[29]、人工介质单元^[30]、缺角方形环单元^[31]、圆环形单元^[32]的双频吸收器相继被报道. 然而, 到目前为止, 几乎所有的吸收器的底层都是一层金属底板, 导致电磁波无法透过 (只能被吸收或反射), 因此在有通信需求的应用中受到限制.
本文提出了一种极化控制的透射型双频吸收器, 对TE波能够实现高效吸收, 而对TM则能够高效透射. 在5 GHz和7 GHz两个频点, 对TE波的吸收分别达到97.5%和96.0%, 对TM波的透射分别达到97.2%和94.7%. 实验结果和仿真结果一致, 验证了设计的正确性. 由于所提出的结构总体厚度只有0.288 mm, 可实现柔性弯曲, 容易做到与曲面目标共形. 另外, 该吸收器具有宽入射角特性, 即便入射角增大到60°, 对TE波的吸收和TM波的透射仍然能够保持在90%以上. 本文提出的透射型吸收器在有通信需求的场合有重要应用前景.

本文提出的透射型双频吸收器如图1(a)所示, 由三层结构组成, 底层是金属光栅, 中间为介质层, 表面金属层的单元由两条平行放置的尺寸不同的金属线组成. 该吸收器对一种极化的入射波实现高效吸收, 而对另一种极化的入射波实现高效透射. 其基本结构单元如图1(b)所示, 上下层的金属线均是厚度为17 ${\text{μ}}{\rm{m}} $的铜, 中间的介质层是聚四氟乙烯(F4B-2), 厚度为0.254 mm, 相对介电常数为2.65, 损耗角正切值为0.002. 单元结构沿x和y方向的周期分别是P = 13.82 mm和l₃ = 19.87 mm. 底层金属光栅的金属线宽为w₃ = 3.76 mm, 表面的两条金属线长度分别为l₁ = 18.8 mm和l₂ = 13.3 mm, 宽度分别为w₁ = 1.94 mm和w₂ = 2.22 mm, 且两条金属线的几何中心分别位于P/4和3P/4处.
图 1 (a) 超薄柔性透射型双频吸收器的效果示意图; (b)基本单元结构示意图
Figure1. (a) Schematic demonstration of the proposed ultrathin flexible transmission dual-band absorber; (b) schematic diagram of the basic unit structure.

基于有限元方法对提出的透射型双频吸收器进行仿真验证. 仿真中将x和y方向的边界条件均设置为周期边界条件, 采用平面电磁波作为入射激励源. 规定入射波的电场方向垂直于xz平面时为TE波, 平行于xz平面时为TM波. 通过优化结构参数, 可以调控该吸收器的等效介电常数和等效磁导率, 使二者接近一致, 从而与空气界面满足阻抗匹配条件, 实现对电磁波的吸收. 吸收率A可表示为$A(\omega ) = 1 - T(\omega ) - R(\omega ) $, 其中 $\omega $表示入射电磁波的角频率, $T(\omega ) $表示能量透射率, $ R(\omega )$表示能量反射率.
为验证设计的正确性, 我们进行了加工测试. 测试装置如图2(a)所示, 发射喇叭天线发射电磁波照射到样品表面, 同侧的接收喇叭天线接收反射波从而测出反射系数, 背后的接收喇叭天线接收透射波从而测出透射系数, 测试环境照片如图2(b)所示. 加工样品的实物照片如图2(c)所示, 样品的几何尺寸为397.4 mm × 414.6 mm, 由20 × 30阵列单元组成. 测试和仿真结果如图2(d)所示, 二者符合较好, 吸收频点出现微小平移有两个原因：一是加工误差; 二是仿真中考虑的是理想的无限大周期结构, 而实际加工的结构为有限尺寸. 可以看出, 对TE波的双频吸收接近于1, 对TM波在3—9 GHz整个频段透射率都达到90%以上. 因此, 本文结构实现了对TE波的高效吸收和TM波的高效透射.
图 2 (a) 实验装置示意图; (b)测试环境照片; (c) 加工实物照片; (d)仿真和实验结果
Figure2. (a) Schematic demonstration of experimental setup; (b) photograph of experimental setup; (c) photograph of the fabricated sample; (d) simulated and measured results.

为深入理解本文结构对TE波的电磁吸收机理, 模拟在两个共振频点处的电场和磁场分布. 图3(a)和图3(b)分别对应频点f = 5 GHz和频点f = 7 GHz的电场分布. 可以看出, 低频点的吸收是因为较长的金属条发生了谐振, 而高频点的吸收是因为较短的金属条发生了谐振. 激发的电场主要集中在金属线的上下两端, 表明金属线和底部金属线上产生了一对反向平行的电流^[33], 从而形成了磁矩, 该磁矩与入射波的磁场相互作用产生磁谐振^[34], 这就解释了在两个共振频点所观察到的高吸收率. 在两个共振频点处的磁场分布如图3(c)和图3(d)所示, 可以看出, 磁场被局限在两层金属之间的电介质层内, 从而电磁能量也就被限制在电介质层内, 几乎不发生反射.
图 3 电场分布　(a) f = 5 GHz, (b) f = 7 GHz; 磁场分布 (c) f = 5 GHz, (d) f = 7 GHz
Figure3. The electric field distributions at (a) f = 5 GHz and (b) f = 7 GHz, respectively; the magnetic field distributions at (c) f = 5 GHz and (d) f = 7 GHz, respectively.

考虑到在实际应用中, 空间传输的电磁波常常来自于不同的方向, 这就要求吸收器具有广角特性. 为了考察所提出的结构在不同入射角度下的性能表现, 本文分别模拟了TM波的透射谱和TE波的吸收谱, 结果如图4(a)和图4(b)所示. 对TM波而言, 不同角度入射时的透射谱如图4(a)所示, 可以看到, 随着入射角度的增大, 透射率始终保持在90%以上. 当入射角达到60° 时, 在3—9 GHz频段范围内的透射率高达98%以上. 对TE波, 当入射角达到60° 时, 双频点的吸收率均能保持在90%以上. 另外, 由于所提出的结构总体厚度只有0.288 mm, 可实现柔性弯曲, 容易做到与曲面目标共形, 如图4(a)中的插图所示. 由前面的分析可知, 本文提出的结构具有良好的广角特性, 对于已覆盖吸波材料的圆柱形物体, 当平面电磁波照射到物体表面时, 可以等效为不同角度的电磁波斜入射情况. 因此可以预期, 包裹了吸波材料的圆柱形物体具有良好的吸波性能, 这就使得本文提出的吸波结构具有更广阔的应用前景.
图 4 (a) TM波随入射角度变化的透射谱, 插图为弯曲的加工样品覆盖在圆柱形物体表面; (b) TE波随入射角度变化的吸收谱
Figure4. (a) Transmission spectra for TM wave with the change of incident angle, the inset shows the curved sample covered on the surface of a cylindrical object; (b) the absorption spectra for TE wave with the change of incident angle.

最后, 讨论结构参数l₁和l₂对吸收频点的调节作用. 当l₂保持不变, l₁从19.4 mm减小到18.2 mm时, TE波的吸收和TM波的透射如图5(a)所示. 可以看到, 低频点吸收峰逐渐向高频移动且始终保持较高吸收( > 95%), 然而, 高频点吸收峰和TM波的透射几乎不受影响. 当l₁保持不变, l₂从14.3 mm减小到12.3 mm时, TE波的吸收和TM波的透射如图5(b)所示. 可以看到, 高频点吸收峰逐渐向高频移动且始终保持较高吸收( > 95%), 而低频点吸收峰和TM波的透射也同样不受影响. 以上分析表明, 双频吸收峰可以各自独立调节, 这就给设计带来了极大的灵活性.
图 5 (a) TE波的吸收和TM波的透射随l₁的变化; (b) TE波的吸收和TM波的透射随l₂的变化
Figure5. (a) The absorption of TE wave and transmission of TM wave with the change of l₁; (b) the absorption of TE wave and transmission of TM wave with the change of l₂.

本文提出了一种极化控制的透射型双频吸收器, 能够实现对TE波的高效吸收和TM波的高效透射, 这一特性为其在通信、滤波、传感等方面的应用提供了更大的灵活性. 实验结果与仿真结果符合较好, 验证了设计的正确性. 其次, 该结构具有宽入射角特性, 当入射角增大到60° 时, 对TE波的吸收和TM波的透射依然能够保持在90%以上. 另外, 该双频吸收器具有超薄的结构, 可实现柔性弯曲, 容易做到与曲面目标共形. 以上特性使得本文提出的吸波结构具有广阔的应用前景.