太赫兹波段偏振不敏感超材料吸波器的设计及特性分析

作     者：郝梦真 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：延凤平

授予年度：2020年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超材料 太赫兹 吸波器 偏振不敏感 宽带 双频 

摘      要：太赫兹波位于电磁波谱中比较特殊的位置,因此其具有很多独特的电磁特性,受到了人们的广泛关注。但在自然界中能响应太赫兹波的物质少之又少,且太赫兹波的产生、探测和操控在理论研究方面还有待完善,实验条件也存在一定的局限性。电磁超材料相关理论的提出以及微结构加工技术的发展,为研究太赫兹波提供了一种新的思路,这是因为可以通过人为地选取合适的材料、使用不同的结构以及控制结构的物理尺寸来设计响应太赫兹波的电磁超材料。自此太赫兹器件在短短几年内发展迅速,取得了累累硕果。相较于传统的吸波器,超材料吸波器具有吸收性能佳、厚度薄、易携带等优势,被广泛应用于电磁隐身、热探测器、滤波、成像等相关领域,成为学术界的研究热点之一。本文围绕太赫兹波段偏振不敏感超材料吸波器的设计为主题,进行了相关研究工作,提出了在太赫兹波段宽带偏振不敏感吸波器和双频偏振不敏感吸波器两种吸波结构:(1)提出并设计了一种带有耦合谐振环的太赫兹宽带偏振不敏感吸波器,首先设计了一种单峰偏振不敏感吸波器,并将结构单元在纵向进行堆叠。通过调整每一层之间的介质层厚度,以及各表面超材料层的结构参数而使层与层之间相互耦合,同时与自由空间达到阻抗匹配。最终实现吸收率在90%以上的带宽达到1.91THz,其中吸收率在97%以上的带宽约为1.65THz,且中心谐振频率点的吸收率达到了99.9%,实现了近100%的完美宽带吸收。因设计的宽带吸波器的结构具有中心对称性,故其具有偏振不敏感的吸收特性。通过仿真计算,显示设计的宽带吸波器在一定入射角下仍具有良好的吸收特性。将其与去掉耦合谐振环的结构进行对比,验证了谐振环在层与层之间起到了增强耦合的作用。(2)提出并设计了一种太赫兹双频偏振不敏感吸波器,基于典型的金属-介质-金属的类三明治结构。通过数值计算仿真,显示其在太赫兹波段产生了两个共振吸收峰,中心谐振频率分别为1.95THz和3.20THz,并在1.95THz处吸收率达到了99.9%,3.20THz处吸收率达到了99.4%。研究了双频吸波器的结构参数对吸收性能的影响,验证了其偏振不敏感特性。通过在不同入射角下仿真计算得到的吸收谱曲线还说明此吸波结构具有广角吸收特性,这将在实际应用中发挥重要作用。