發(fā)布時間：2021-07-07 23:30

　　為了實現(xiàn)太赫茲波調(diào)制器件對太赫茲波的快速響應(yīng),設(shè)計一種基于二氧化釩（VO₂）電阻膜的太赫茲波段寬帶可調(diào)諧超材料吸波體,研究不同溫度時吸波體的吸收率,并通過監(jiān)控表面電流分布,分析吸波體寬帶吸收以及可調(diào)吸收的機理。結(jié)果表明:吸波體在溫度為35℃時表現(xiàn)出寬帶吸收特性,吸收率大于90%的頻段頻率為6.508～9.685 THz,帶寬為3.177 THz,通過改變溫度可以實現(xiàn)吸波體吸收率的調(diào)控;該吸波體對電磁波的吸收具有極化不敏感和寬角度吸收的特點。 

【文章來源】：濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,34(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

不同溫度時二氧化礬(VO2)電阻膜的電導(dǎo)率

圖2所示為本文中設(shè)計的太赫茲波段寬帶可調(diào)超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)單元包括2層諧振單元、 2層介質(zhì)基板和1層金屬基板,自上而下分別為加載VO2電阻膜的開口金屬環(huán)層、聚酰亞胺介質(zhì)層、交叉金屬桿層、聚酰亞胺介質(zhì)層和金屬基板層介質(zhì),其中加載VO2電阻膜的開口金屬環(huán)以及交叉金屬桿通過金屬圓柱相連接。第1層加載VO2電阻膜的開口金屬金環(huán)的厚度t1為0.07 μm(金的電導(dǎo)率σ=4.09×107 S·m-1)[31],有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下:長度a=24 μm,寬度b=24 μm;開口金屬環(huán)內(nèi)半徑r=8.2 μm,寬度w=1.2 μm,開口寬度c=2 μm。 第2層為聚酰亞胺介質(zhì)(相對介電常數(shù)εr=2.88, 正切損耗角tan δ=0.031 3)[32],厚度t2=3.2 μm。 第3層為交叉金屬金桿,厚度t3=0.07 μm, 有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下:半長度l=7.6 μm,寬度d=1 μm。第4層為聚酰亞胺介質(zhì),厚度t4=3.2 μm。第5層為金屬金基板,厚度t5=0.3 μm。上述結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化得到。采用電磁仿真軟件Microwave studio CST對圖2所示的超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元進行建模仿真。仿真計算過程中,分別設(shè)置x、 y、 z方向的邊界條件為單元晶胞(unit cell)、 單元晶胞(unit cell)、 開放(open)。

根據(jù)能量守恒原理,吸波體的吸收率計算公式為 A(ω)=1-| S 11 | 2 -| S 21 | 2 ,其中A(ω)為吸收率,S11為反射系數(shù),S21為透射系數(shù),吸波體的底層金屬基板使得S21=0,因此 A(ω)=1-| S 11 | 2 。根據(jù)簡化的吸收率計算方式以及表1所示的結(jié)果,計算得到部分不同溫度時吸波體的吸收率如圖3所示。由圖可知:當溫度為35 ℃時,吸波體的吸收率達到最大,吸收率大于90%的頻段頻率為6.508～9.685 THz,帶寬為3.177 THz;當溫度從35 ℃逐步增加到80 ℃時,吸波體在頻率為6.508～7.48 THz和8.2～9.685 THz頻段的吸收率逐漸減小, 實現(xiàn)了吸收率可調(diào)的功能。當溫度由35 ℃逐步增加到80 ℃時,吸波體由寬帶吸收變?yōu)閱晤l吸收,主要原因是隨著溫度的升高,VO2電阻膜的電導(dǎo)率逐漸增大,加載VO2電阻膜的開口金屬環(huán)變成閉合金屬環(huán),閉合金屬環(huán)型超材料吸波體會產(chǎn)生單頻吸收。與自由空間達到良好的阻抗匹配即歸一化輸入阻抗為1是超材料吸波體設(shè)計的基本要求。根據(jù)仿真提取到的S11、 S21參量以及散射參量法[33],計算得到35 ℃時吸波體與自由空間的歸一化輸入阻抗如圖4所示。由圖可知,吸波體在頻率為6.508～9.685 THz時與自由空間的歸一化輸入阻抗接近于1,實現(xiàn)了與自由空間的阻抗匹配,此時入射電磁波能量被完全吸收。


本文編號：3270575