加载二氧化钒的太赫兹宽带可调超材料吸波体设计
发布时间：2021-07-07 23:30
为了实现太赫兹波调制器件对太赫兹波的快速响应,设计一种基于二氧化钒（VO2）电阻膜的太赫兹波段宽带可调谐超材料吸波体,研究不同温度时吸波体的吸收率,并通过监控表面电流分布,分析吸波体宽带吸收以及可调吸收的机理。结果表明:吸波体在温度为35℃时表现出宽带吸收特性,吸收率大于90%的频段频率为6.508～9.685 THz,带宽为3.177 THz,通过改变温度可以实现吸波体吸收率的调控;该吸波体对电磁波的吸收具有极化不敏感和宽角度吸收的特点。
【文章来源】：济南大学学报(自然科学版). 2020,34(04)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同温度时二氧化矾(VO2)电阻膜的电导率
图2所示为本文中设计的太赫兹波段宽带可调超材料吸波体结构单元。结构单元包括2层谐振单元、 2层介质基板和1层金属基板,自上而下分别为加载VO2电阻膜的开口金属环层、聚酰亚胺介质层、交叉金属杆层、聚酰亚胺介质层和金属基板层介质,其中加载VO2电阻膜的开口金属环以及交叉金属杆通过金属圆柱相连接。第1层加载VO2电阻膜的开口金属金环的厚度t1为0.07 μm(金的电导率σ=4.09×107 S·m-1)[31],有关结构尺寸参数如下:长度a=24 μm,宽度b=24 μm;开口金属环内半径r=8.2 μm,宽度w=1.2 μm,开口宽度c=2 μm。 第2层为聚酰亚胺介质(相对介电常数εr=2.88, 正切损耗角tan δ=0.031 3)[32],厚度t2=3.2 μm。 第3层为交叉金属金杆,厚度t3=0.07 μm, 有关结构尺寸参数如下:半长度l=7.6 μm,宽度d=1 μm。第4层为聚酰亚胺介质,厚度t4=3.2 μm。第5层为金属金基板,厚度t5=0.3 μm。上述结构参数经过优化得到。采用电磁仿真软件Microwave studio CST对图2所示的超材料吸波体结构单元进行建模仿真。仿真计算过程中,分别设置x、 y、 z方向的边界条件为单元晶胞(unit cell)、 单元晶胞(unit cell)、 开放(open)。
根据能量守恒原理,吸波体的吸收率计算公式为 A(ω)=1-| S 11 | 2 -| S 21 | 2 ,其中A(ω)为吸收率,S11为反射系数,S21为透射系数,吸波体的底层金属基板使得S21=0,因此 A(ω)=1-| S 11 | 2 。根据简化的吸收率计算方式以及表1所示的结果,计算得到部分不同温度时吸波体的吸收率如图3所示。由图可知:当温度为35 ℃时,吸波体的吸收率达到最大,吸收率大于90%的频段频率为6.508～9.685 THz,带宽为3.177 THz;当温度从35 ℃逐步增加到80 ℃时,吸波体在频率为6.508～7.48 THz和8.2～9.685 THz频段的吸收率逐渐减小, 实现了吸收率可调的功能。当温度由35 ℃逐步增加到80 ℃时,吸波体由宽带吸收变为单频吸收,主要原因是随着温度的升高,VO2电阻膜的电导率逐渐增大,加载VO2电阻膜的开口金属环变成闭合金属环,闭合金属环型超材料吸波体会产生单频吸收。与自由空间达到良好的阻抗匹配即归一化输入阻抗为1是超材料吸波体设计的基本要求。根据仿真提取到的S11、 S21参量以及散射参量法[33],计算得到35 ℃时吸波体与自由空间的归一化输入阻抗如图4所示。由图可知,吸波体在频率为6.508～9.685 THz时与自由空间的归一化输入阻抗接近于1,实现了与自由空间的阻抗匹配,此时入射电磁波能量被完全吸收。
本文编号：3270575
【文章来源】：济南大学学报(自然科学版). 2020,34(04)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同温度时二氧化矾(VO2)电阻膜的电导率
图2所示为本文中设计的太赫兹波段宽带可调超材料吸波体结构单元。结构单元包括2层谐振单元、 2层介质基板和1层金属基板,自上而下分别为加载VO2电阻膜的开口金属环层、聚酰亚胺介质层、交叉金属杆层、聚酰亚胺介质层和金属基板层介质,其中加载VO2电阻膜的开口金属环以及交叉金属杆通过金属圆柱相连接。第1层加载VO2电阻膜的开口金属金环的厚度t1为0.07 μm(金的电导率σ=4.09×107 S·m-1)[31],有关结构尺寸参数如下:长度a=24 μm,宽度b=24 μm;开口金属环内半径r=8.2 μm,宽度w=1.2 μm,开口宽度c=2 μm。 第2层为聚酰亚胺介质(相对介电常数εr=2.88, 正切损耗角tan δ=0.031 3)[32],厚度t2=3.2 μm。 第3层为交叉金属金杆,厚度t3=0.07 μm, 有关结构尺寸参数如下:半长度l=7.6 μm,宽度d=1 μm。第4层为聚酰亚胺介质,厚度t4=3.2 μm。第5层为金属金基板,厚度t5=0.3 μm。上述结构参数经过优化得到。采用电磁仿真软件Microwave studio CST对图2所示的超材料吸波体结构单元进行建模仿真。仿真计算过程中,分别设置x、 y、 z方向的边界条件为单元晶胞(unit cell)、 单元晶胞(unit cell)、 开放(open)。
根据能量守恒原理,吸波体的吸收率计算公式为 A(ω)=1-| S 11 | 2 -| S 21 | 2 ,其中A(ω)为吸收率,S11为反射系数,S21为透射系数,吸波体的底层金属基板使得S21=0,因此 A(ω)=1-| S 11 | 2 。根据简化的吸收率计算方式以及表1所示的结果,计算得到部分不同温度时吸波体的吸收率如图3所示。由图可知:当温度为35 ℃时,吸波体的吸收率达到最大,吸收率大于90%的频段频率为6.508～9.685 THz,带宽为3.177 THz;当温度从35 ℃逐步增加到80 ℃时,吸波体在频率为6.508～7.48 THz和8.2～9.685 THz频段的吸收率逐渐减小, 实现了吸收率可调的功能。当温度由35 ℃逐步增加到80 ℃时,吸波体由宽带吸收变为单频吸收,主要原因是随着温度的升高,VO2电阻膜的电导率逐渐增大,加载VO2电阻膜的开口金属环变成闭合金属环,闭合金属环型超材料吸波体会产生单频吸收。与自由空间达到良好的阻抗匹配即归一化输入阻抗为1是超材料吸波体设计的基本要求。根据仿真提取到的S11、 S21参量以及散射参量法[33],计算得到35 ℃时吸波体与自由空间的归一化输入阻抗如图4所示。由图可知,吸波体在频率为6.508～9.685 THz时与自由空间的归一化输入阻抗接近于1,实现了与自由空间的阻抗匹配,此时入射电磁波能量被完全吸收。
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