一種具有良好吸收特性的電磁超材料設(shè)計(jì)__myk3

1、 一種具有良好吸收特性的電磁超材料設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：楊榮草小組成員：侯澤宇 劉冬明 孟義凱摘要： 本文根據(jù)電磁超材料的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合目前吸波材料的特點(diǎn)，提出了一種超材料的結(jié)構(gòu)，利用S參數(shù)提取方法，采用電磁仿真軟件HFSS提取超材料的電磁散射參數(shù)，如反射系數(shù)和傳輸系數(shù)等，分析了材料的吸收特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目所提出的超材料在11.46GHz附近吸收率達(dá)到了87.8%，這充分表明該超材料具有良好的吸收特性。關(guān)鍵字：電磁超材料 吸收器 s 參數(shù)Design of an electromagnetic metamaterials with absorbing propertiesABSTRACT ： Bas

2、ed on the design method of electromagnetic metamaterials(MMs), combining with the characteristics of absorbing materials, in this paper, a MM structure is proposed and electromagnetic scattering parameters such as the coefficients of reflection and transmission are extracted by using electromagnetic

3、 simulation software HFSS. On the basis of S-parameter extraction method, the absorption characteristics of the MMs are analyzed. The results show that the absorption rate of the proposed MM may nearly reach 87.8% at 11.46GHz, which fully shows that the designed MM has good absorption characteristic

4、s.KEYWORD：Electromagnetic metamaterials; absorber; S-parameters1. 研究背景1.1 超材料的簡(jiǎn)介電磁超材料(MMs，Metamaterials)是指一類(lèi)具有天然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。在狹義上來(lái)講,超材料一般是指左手材料，從廣義上來(lái)說(shuō),目前的超材料主要包括左手材料、超磁性材料、光子晶體等。新型人工電磁材料是近年來(lái)國(guó)際物理、材料和電磁領(lǐng)域研究的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)。它是人們根據(jù)電磁學(xué)和材料學(xué)理論設(shè)計(jì)并制作出來(lái)的一種人工材料，為人們提供了一種在特定的頻率上控制電磁特性的嶄新方法。1.2 具有吸收特性的超材料的研究

5、現(xiàn)狀近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)可利用超材料損耗大的特點(diǎn)來(lái)構(gòu)造性能優(yōu)良的吸收器。最早設(shè)計(jì)出基于超材料完美吸收器的是Landy2， 2008年他通過(guò)開(kāi)口環(huán)、短截線(xiàn)和分隔層構(gòu)造出一種電磁諧振器的超材料，這種人工構(gòu)造材料對(duì)入射的電磁波能夠?qū)崿F(xiàn)完美吸收。2010 年保石等人提出一種基于樹(shù)枝結(jié)構(gòu)的超材料寬帶微波吸收器，此種夾層結(jié)構(gòu)具有吸收效率高和吸收帶較寬的優(yōu)點(diǎn)3。2011 年張岱南等人設(shè)計(jì)了一種吸收率超到90%、帶寬達(dá)300GHz 的寬頻帶的太赫茲吸收器，并從實(shí)驗(yàn)上制造了實(shí)物4。2012 年Tuong 等人設(shè)計(jì)出的花瓣形 吸收器在理論和實(shí)驗(yàn)中都能達(dá)到98%，實(shí)現(xiàn)完美吸收。這些從微波到光頻范圍的各種不同的吸收器6-9的

6、思 想都是在電磁波的入射下由金屬電諧振器獲得電響應(yīng)，通過(guò)感應(yīng)的反向平行電流獲得磁響應(yīng)，合理調(diào)節(jié)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)完美吸收。本文基于人工超材料的電磁理論，設(shè)計(jì)一種具有良好吸收特性的超材料。根據(jù)電磁超材料的參數(shù)提取方法，采用電磁仿真軟件 HFSS 提取超材料的電磁散射參數(shù)，分析材料的吸收特性。 2.S 參數(shù)提取方法為了研究所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性，下面介紹常用的S 參數(shù)反演法，采用 HFSS 仿真軟件提取超材料的S 參數(shù)，得到其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。 根據(jù)文獻(xiàn)1,當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)時(shí)，非均勻的介質(zhì)在宏觀上可以等效為均勻介質(zhì)，那么非均勻介質(zhì)的特性也可以用 S 參數(shù)來(lái)描述。但由于超材料往往都是由周

7、期性的離散單元構(gòu)成，因此，在對(duì)材料 進(jìn)行模擬時(shí)，可讓樣品厚度盡可能的小。于是，我們假設(shè)模擬厚度就是單元的厚度，也就是 L=d。對(duì)于各= cos(nkd )- z sin(nkd ) 向同性的一維平板傳輸矩陣有下面的形式： T1112Tkcos(nkd )T = T(2.1)Tk 2122 -sin(nkd )z其中 n 為折射率，z 是平板的波阻抗。 對(duì)于各向同性的均勻平板，從傳輸矩陣中可以得出T11 = T22 = Ts , det(T) =1。散射矩陣可寫(xiě)為對(duì)稱(chēng)矩陣，將傳輸矩陣元代入上式，可以得出： i 1S11 = S22 =( - z) sin(nkd )(2.2)2 z1S21 =

8、S12 =(2.3) i1COS(nkd ) -(z + ) sin(nkd )2z對(duì)于無(wú)源材料，有 Re(z)0，折射率虛部 Im(n)0，根據(jù)（2.2）和（2.3）可以得到關(guān)于 S參數(shù)表示的 n 和 z 的表達(dá)式。11n =cos-1(1+ S 2 - S 2 )2111kd2S21(2.4)+ S) - S(122z =1121- S) - S22(11121(2.5)這樣可以確定介電常數(shù)與磁導(dǎo)率。 根據(jù) A() =1 R() T()來(lái)計(jì)算吸收率7，其中， R() = 表示透射率。 |S11|2 表示反射率，T() = S|21|23. 模擬仿真 Smith 結(jié)構(gòu)為了運(yùn)用 HFSS 仿真

9、軟件來(lái)提取我們后面所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)值，以確保研究結(jié)果的正確性，我們 首先仿真經(jīng)典的超材料結(jié)構(gòu)，即 D.R.Smith 的Electromagnrtic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials論文中的結(jié)構(gòu)1。 圖 3.1 D.R.Smith 單元結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過(guò)仿真得到的S 參數(shù)曲線(xiàn)結(jié)果如圖 3.2 圖 3.2（a） S 參數(shù)的幅度-頻率折線(xiàn)圖；（b）S 參數(shù)的相位-頻率折線(xiàn)圖 仿真所得到的S 參數(shù)結(jié)果經(jīng)過(guò)對(duì)比可知與論文中的相應(yīng)參數(shù)曲線(xiàn)結(jié)果完全一致。4. 研究結(jié)果4.1 設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)出的超材料諧振單元結(jié)構(gòu)如下：金屬線(xiàn)寬r

10、=0.65mm，長(zhǎng)a=11.8mm；內(nèi)外環(huán)大小參數(shù)l=2.4mm，L=4mm， 內(nèi)外環(huán)間距 t=0.3mm，環(huán)寬 w=0.5mm，外環(huán)開(kāi)口 G=0.5mm，內(nèi)環(huán)開(kāi)口 g=0.2mm，中間金屬線(xiàn)寬 T=0.6mm，結(jié) 構(gòu)單元大小為 12mm4.2mm。本實(shí)驗(yàn)采用電磁波垂射方式。為了模擬周期結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)單元設(shè)置電邊 界（PEC）、磁邊界（PMC）如圖 4.1 所示，采用高頻仿真軟件 HFSS 進(jìn)行模擬仿真。 圖 4.1 單元結(jié)構(gòu)示意圖4.2 仿真結(jié)果對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到的反射和透射曲線(xiàn)如圖 4.2 所示?？梢钥闯?，在 11.4GHz 附近，出現(xiàn) 一個(gè)反射波谷，達(dá)到最小值，而此時(shí)透射也比較小

11、，可以預(yù)見(jiàn)在此處發(fā)生了良好吸收。為了詳細(xì)了解吸收 2 效果， 我們根據(jù) A() =1 R() T()來(lái)計(jì)算吸收率，其中， R() =| S11| 表示反射率， T() =2 |S21| 表示透射率。根據(jù)計(jì)算得到的吸收率如圖 4.3 所示，發(fā)現(xiàn)在 11.38GHz 處吸收率達(dá)到 81.7%，實(shí)現(xiàn)了 良好的吸收效果。 圖 4.2 提取的電磁超材料的有效電磁參數(shù)，(a)S 參數(shù)；(b)磁導(dǎo)率；(c)介電常數(shù)；(d) 阻抗。圖 4.3 仿真得到的吸收率 由于超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響其電磁響應(yīng)1，為了能夠得到更好的吸收效果，通過(guò)調(diào)整所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，提取了在不同參數(shù)下材料的電磁參數(shù)。經(jīng)過(guò)大量的仿真發(fā)現(xiàn)

12、將中間金屬線(xiàn)寬 T=0.6mm 改為 T=0.8mm 后，可以得到的良好的吸收特性，其電磁參數(shù)如圖 4.4 所示，所得到的吸收參數(shù)如圖 4.5 所示。 圖 4.4 從 S 參數(shù)提取的電磁超材料的有效電磁參數(shù)(a)S 參數(shù)；(b)磁導(dǎo)率；(c)介電常數(shù)；(d) 阻抗。 圖 4.5 優(yōu)化后得到的吸收率經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后的結(jié)構(gòu)所得的結(jié)果，根據(jù)計(jì)算得到的吸收率在 11.46GHz 處吸收率達(dá)到 87.8%，實(shí)現(xiàn)了更好 的吸收效果。5. 結(jié)論本文基于電磁超材料結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基板兩邊分別刻蝕銅的金屬線(xiàn)和開(kāi)口的雙正方形環(huán)的吸收器。通過(guò)利用 S 參數(shù)提取方法，采用電磁仿真軟件 HFSS

13、提取超材料的電磁散 射參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果和計(jì)算表明，該吸收器能夠在 11.46GHz 附近實(shí)現(xiàn)良好吸收，吸收率達(dá)到 87.8%。吸收器的研發(fā)有望在熱探測(cè)器、溫度計(jì)、多頻成像以及其它領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。參考文獻(xiàn)1 Smith D. R., Vier D. C.，Koschny T., et al. Electromagnetic Parameter Retrieval fromInhomogeneous Metamaterials. Phys.Rev.E, 2005, 71(3):036617-1-11.2 Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, et al. Perp

14、ect Metamaterial Absorber. Phys. Rev. Lett.,2008,100,207402.3 保石, 羅春榮, 張燕萍, 趙曉鵬. 基于樹(shù)枝結(jié)構(gòu)單元的超材料寬帶微波吸收器. 物理學(xué)報(bào), 2010,59(05):3187.4 Dai-nan Zhang, Qi-ye Wen, Yun-song Xie. Simulation and Experiments for a Broadband TerahertzAbsorber. Chin. Opt. Lett., 2011, 9, S10402.5 Tuong P.V., Park J.W., Lan V.D., et

15、 al. Simplied Perfect Absorber Structure. Comp. Mater.Sci., 2012, 61, 243-247.6 樊京，蔡廣宇. 一種基于金屬開(kāi)口諧振環(huán)和桿陣列的左手材料寬帶吸收器. 物理學(xué)報(bào)， 2010, 59(09):6084-8.7 Yong-zhi Cheng, He-lin Yang, Zheng-ze Cheng, et al. A Planar Polarization insensitive Metamaterial Absorber. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Application, 2011, 9