太赫兹波段的超材料吸波器一般是通过光刻技术(lithographic technique)制备的,例如光蚀刻技术(photo-lithographic method)和电子束曝光法(electron beam lithographic method)等,使用这些工艺加工超材料吸波器的步骤可以概括为:首先,通过电子束热蒸发的方式沉积金属底板,然后使用旋涂法在其表面涂上固定厚度的介质,之后再在介质上沉积一层金属并进行剥离处理(lift off process),最终制作出想要的金属图案。不同于之前报道的加工方式,本样品是通过微波器件中常用的印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)技术制备而成的,材料选用双面镀铜的FR4介质板,厚度为370μm。与光刻技术相比,使用印制电路板技术制备的样品成本减少了约10%,制作周期减少了至少50%,此外,使用该技术还可以对吸波器进行大面积加工。因此,使用印制电路板技术加工样品具有廉价、高效和大面积批量生产的优点。但是,该技术加工的最小线宽只能达到150μm,具有一定的局限性,在加工太赫兹波段高频率器件时,往往需要使用光刻技术来保证精度。
图2-29(a)和图2-29(b)分别给出了使用印制电路板技术制作出的双十字吸波器样品正面和背面的影像图,该样品包含25×50个周期单元,尺寸为5 cm×5 cm。两幅图之间的空白处插入了一张5×5周期单元的放大图,可以看出,顶层的金属图案具有较高的一致性。样品的背面是一块18μm厚的铜板,其厚度远大于铜在该频段的趋肤深度,没有电磁波能够穿透过去。因此,在测试中可以不用考虑透射的部分,只需要测量样品的反射谱,即可得到对应的吸收谱。在太赫兹波段,传统的测试方法包括傅里叶变换红外光谱法(fourier transform infrared spectrometry)和太赫兹时域光谱法(Terahertz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),这些方法通常使用傅里叶变换来获取频谱信息,需要较长的样品扫描时间。而太赫兹矢量网络测试系统可以直接获得样品的反射谱和传输谱,节省了大量时间,同时,利用准光学测试平台中的圆弧形滑轨,可以轻松地改变样品的位置,从而获取不同入射角度下的测试数据。
图2-29 使用印制电路板技术制作出的双十字吸波器样品(www.xing528.com)
图2-30(a)到图2-30(d)分别给出了双十字吸波器在入射角θ=0°、10°、30°和40°时反射曲线(S 11)的仿真(虚线)与测试结果(实线)。由于入射喇叭的限制,这里只给出了TE模式下的测试结果。当入射角为0°和10°时,样品的测试结果与仿真结果具有较高的吻合度,同时中心频率有少量偏移;而当入射角为30°和40°时,测试结果中反射的幅值更低,吸收效果更好。导致这种现象的因素有很多,例如加工时的尺寸误差,介质材料的介电常数与损耗差异,测试时测量角度的微小偏差等。总的来说,双十字吸波器样品的测试结果与仿真结果具有较高的一致性,从而验证了该结构的可行性与可靠性。
图2-30 不同入射角度下,吸波器TE极化波反射曲线的模拟(虚线)与实验(实线)对比
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