一种可用于太赫兹检测的柔性人工电磁结构设计

陈曦冉 郑亚伟

摘要：我们设计的人工电磁结构在太赫兹吸收率达到80%。改变人工电磁结构单元的相关尺寸，都能够实现95%以上的吸收率。柔性衬底聚酰亚胺价格便宜，灵活性好，以此为衬底的人工电磁结构能够实现卷曲成特定形状或者贴附与大型设备表面甚者是折叠，为后期应用提供了巨大的方便。太赫兹技术取得了飞速发展，我们的设计能够实现在太赫兹频段的高效率吸收，在太赫兹探测、安全检测或侦察领域都有非常广阔的应用前景。

关键词：人工电磁结构；柔性衬底；吸收率；太赫兹检测

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0240-02

1 介绍

利用人工设计的单元结构的形状和空间排列，超材料可以实现自然材料所不具备的一些性质，如负介电常数和负渗透率。长期以来，太赫兹频段的发展相对不足，主要原因在于材料的电磁性质太赫兹波段急剧下降，极大地阻碍了太赫兹技术的发展。超常材料的特殊性，极大地扩展了常用设备的性能，使太赫兹场得到了广泛的发展[1，2]。

超常材料的主要特征之一是可以通过介电常数和渗透率等参数来描述。如果超材料阻抗与入射电磁波阻抗相匹配，当电磁共振发生时介电常数和磁导率保持负值，则入射波将被超常材料吸收[3]。作为一种聚合物复合材料的聚酰亚胺（PI）在电磁场中具有低损耗和柔性好的特征。低损耗聚酰亚胺基底上的微米级谐振太赫兹材料可以用于大型超材料的制备，比如容易卷曲成毫米半径的圆柱体[4]。

2 原理分析

我们的金属结构模型属于开环谐振器。谐振环的间隙具有电容特性，金属导线具有电感特性，这两种结构能够响应外部电场。当入射电磁波的电场分量垂直谐振环开口，并且磁场分量垂直于单元结构法向时，整个单元结构将分别响应入射电磁波产生电谐振和磁共振[5]。由于电谐振而形成的负介电常数频带和由于磁共振形成的负磁导率频带在给定频率区域中重合，在这个频段内单位结构具有双负特性[6]。

电磁波入射结构单元，由于电磁感应的法拉第定律，产生感应电流并在电路中发生RLC谐振。当谐振元件发生谐振时，等效磁导率为负值。为了消除电气响应的干扰，模型结构的等效电路应该是镜像对称的单回路。同样，如果谐振器出现在电谐振元件上。为消除磁响应的干扰，等效电路应为镜像对称双电路。如果电磁波与结构平面平行，电场分量垂直于谐振环开口，则该间隙会产生感应电流。虽然在等效电路中，由于两回路中环路磁通量的变化而产生的电流将抵消相反方向流动的电流，具有电感的金属结构将响应入射磁场。

3 仿真

HFSS是基于有限元分析的电磁仿真软件，具有非常好的仿真精度和可靠性。构造一个包裹结构模型的长方体，以模拟实际的空间电磁场分布。激励源和接收器设置在长方体的顶部和底部。入射的电磁波和人造超材料产生作用，在接收端计算基于散射S参数的吸收率，这是我们工作的重点。图1所示是此设计的单元结构参数，整个设计只需要把单元结构在水平面上沿着X，Y轴进行二维复制。图2显示的是图1中显示的铜制谐振环的参数。

为了简化制造步骤，铜层和PI的厚度保持不变，因此图1中p=18um，q=36um，而周期尺寸d=150um。 参数w，c和a的尺寸在条件允许下是可调的。原始大小尺寸如下表1所示。 图3显示的是原始尺寸模型在电磁场作用下产生共振，吸收率为81%，很明显这个结果并不符合要求，因此我们在保持p、q、d不变的情况下，对图2中谐振环的相关尺寸进行了优化，结果在图4、5、6中显示。

吸收率是和散射參数有关的变量，它通过模型结构直观地说明了入射电磁波吸收的大小。 A代表吸收率，与散射参数的关系为。模型的相应尺寸显然不能满足要求，我们对这三个变量进行了优化。 模拟软件将自动计算相关超材料模型的吸收率。变量优化是按照一定的顺序进行的，也就是说，在优化过程中，其他变量保持不变，以观察变量对吸收率的影响。考虑到实验误差和仿真中遇到的实际问题，吸收率高于95%被认为是理想的。图4中，w的值为20um，c的值为25um，改变谐振环的周期尺寸得到的吸收谱，可以发现所示的曲线都有相对较好的吸收率，且谐振频率随着尺寸变大出现红移。图5中w值为20um，a值为135um，改变谐振环的开口c得到的吸收谱，可以发现所示的曲线都有相对较好的吸收率，且谐振频率随着开口变大出现蓝移。图6中c值为25um，a值为135um，改变谐振环线宽w得到的吸收谱，可以发现所示的曲线都有相对较好的吸收率，且谐振频率随着线宽变大出现蓝移。

以上所示吸收谱表明我们选择的谐振环线宽w、谐振环开口c和谐振环周期a都对共振效果和频率有非常大的影响。共振频率会随着尺寸的变化出现不同程度的蓝移或者红移，我们所取的数据点都有比较让人满意的吸收率，这是我们甄选的结果，吸收效率也会随着尺寸变化而发生响应的变化，只是效率较低的曲线由于并无现实意义而没有选择列出。因此，实验过程中考虑到误差，上图显示的尺寸范围都满足条件，这为后期的模型制备提供了良好的仿真基础。

4 结论

我们设计人工电磁结构能够在太赫兹频段实现良好的吸收率。通过控制参数，我们发现多种尺寸下的人造电磁结构模型都有让人满意的吸收率，这为后期制作的简易可行提供了保障。基于聚酰亚胺衬底的人工电磁结构模型，柔软且可卷曲便于贴附大型结构表面。我们设计的结构能够对特定的太赫兹频率产生共振，可用于太赫兹检测或者侦察领域。

参考文献：

[1] 刘毅， 彭晓昱， 王作斌， 等. 基于超材料的太赫兹波吸波材料. 红外技术[J]， 2015，37（9）：756-63.

[2] 王花， 孙晓红， 王真， 等. 太赫兹波超材料吸波体的特性分析[J]. 红外与激光工程，2016，45（12）：146-50.

[3] 杨娴， 张建民. 基于分形结构的太赫兹超材料吸波体[J]. 陕西师范大学学报：自科版，2013，41（1）.

[4] 张玉萍， 李彤彤， 吕欢欢， 等. 工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究[J]. 物理学报，2015（11）：391-8.

[5] 顾超， 屈绍波， 裴志斌， 等. 基于平行金属线的太赫兹准全向超材料吸波体[J]. 中国科学：物理学力学天文学，2011（3）：280.

[6] 邹涛波， 胡放荣， 肖靖， 等. 基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计[J]. 物理学报，2014，63（17）：342-50.