طراحی یک جاذب باند باریک بسیار کوچک بر پایه فرامواد فلزی در فرکانس تراهرتز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران

چکیده

در این مقاله، طراحی یک جاذب تراهرتز باند باریک که در آن ابعاد ساختار بسیار کوچک است، به‌صورت تئوری مورد مطالعه قرار می­گیرد. جاذب طراحی شده، از یک لایه دی­الکتریک مصنوعی که بر روی یک زیرلایه ختم شده به یک لایه هادی قرار گرفته است، تشکیل می­شود. لایه دی­الکتریک مصنوعی شامل دو لایه فلز است که با یک لایه دی الکتریک با ضخامت بسیار نازک جدا شده است. هر لایه فلزی شامل پترن­های مربع شکل است. هر لایه فلز نسبت به لایه مجاورش شیفت داده شده است بنابراین هر مربع در لایه بالا با چهار مربع در لایه پائین همپوشانی دارد. با طراحی مناسب مؤلفه‌های ساختار و با استفاده از ویژگی خازنی این لایه دی­الکتریک مصنوعی همراه با خاصیت القایی لایه دی­الکتریک زمین شده (زیر لایه ختم شده به هادی) می­توان به رزونانس در فرکانس تراهرتز دست یافت. یک مدل مداری ساده برای بررسی رفتار جاذب در برخورد نرمال ارائه می­شود. جاذب طراحی شده، جذب کامل در فرکانس مرکزی 0/4 تراهرتز با ضریب کیفیت 20 را نشان می­دهد. ساختار پیشنهادی، غیرحساس به قطبش موج برخوردی و دارای پایداری بالا نسبت به زاویه برخورد مایل است. علاوه بر این، ابعاد ساختار ارائه شده در این مقاله نسبت به سایر جاذب طراحی شده در فرکانس­های تراهزتز پائین، بسیار کوچک است. ضخامت ساختار حدود 0/014λ و ابعاد سلول واحد  0/055λ × 0/055λ  می­باشد. در نهایت، با به کارگیری دو لایه از ساختار دی­الکتریک مصنوعی می­توان به یک جاذب دو بانده نیز دست یافت.

کلیدواژه‌ها


Smiley face

 [1] M. Coulombe, H.  Nguyen and  C. Caloz, “Substrate integrated artificial dielectric structure for miniaturized microstrip circuits,” IEEE Antennas Wirel. Propag . vol. 6,  pp. 575-579, 2007.
[2] I. Awai, H. Kubo, T. Iribe, D. Wakamiya, and A. Sanada, “An artificial dielectric material of huge permittivity with novel anisotropy and its application to a microwave BPF,” IEEE MTT-S Dig , vol. 1, 
pp. 301–304, 2003. 
[3] Y.  Ma,  B. Rejaei, and  Y. Zhuang, “Artificial dielectric shields for integrated transmission lines,” IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., vol. 18, no. 7, pp. 431-433, 2008. 
[4]  Y. Ma,  B.  Rejaei,  and   Y.  Zhuang, “Low-loss on‌chip transmission lines with micropatterned artificial dielectric shields,” Electron.  Lett‌,  vol. 44, no. 15, pp. 913-914, 2008. 
[5]  K. Takahagi  and  E.  Sano, “High-gain silicon on-chip antenna with artificial dielectric layer,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 10, pp. 3624-3629, 2011.
[6]  Sh. Ogawa and M. Kimata, “Metal-insulator-metal-based plasmonic metamaterial absorbers at visible and infrared wavelengths: a review,” Mater., vol. 11, p. 458, 2018. 
[7] Y. Cui, Y. He, Y. Jin, F. Ding, L. Yang, Y. Ye, S. Zhong, Y. Lin, and S. He “Plasmonic and metamaterial structures electromagnetic absorbers,” vol. 8,  pp . 495‌-520, 2014. 
[8] H. A. Atwater and A. Polman, “Plasmonics for improved photovoltaic devices,” Nat. Mater., vol. 9, pp. 205-213, 2011.
[9] R. A. Pala, J. White, E. Barnard, J. Liu, and M. L. Brongersma, “Design of plasmonic thin-film solar cells with broadband absorption enhancements” Adv. Mater, vol. 21, pp. 3504–3509, 2009. 
[10] N. Liu, M. Mesch, T. Weiss, M. Hentschel, and H. Giessen, “Infrared perfect absorber and its Application as plasmonic sensor” Nano Lett., vol. 10, pp. 2342–2348, 2010. 
[11] D. Wu, R. Li, Y. Liu, Zh. Yu, L. Yu, L. Chen, Ch. Liu, R. Ma, and H. Ye, “Ultra-narrow band perfect absorber and its application as plasmonic sensor in the visible region,” Nanoscale Res. Lett., vol. 12, p. 427, 2017.
[12] M. Nejat and N. Nozhat, “Ultrasensitive THz refractive index sensor based on a controllable perfect MTM absorber,” IEEE Sens. J., vol. 19, no. 22, pp. 10490-10497, 2019.
 [13] X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, “Infrared spatial and frequency selective metamaterial with near-unity absorbance,” Phys. Rev. Lett, vol. 104, no. 20, p. 207403, 2010. 
[14] X. Liu, T. Tyler, T. Starr, A. F. Starr, N. M. Jokerst, and W. J. Padilla, “Taming the blackbody with infrared metamaterials as selective thermal emitters,” Phys. Rev. Lett., vol. 107, no. 4, p. 045901, 2011.
[15]A. Malakzadeh, F. Khangheshlaghi, and M. Rezayatfam, “A new light and broadband metamaterial absorber with 1.4 mm thickness for reducing the radar cross section of objects,” J. Appl. Electromagn.., vol. 8,  no. 1,  pp. 27-33, 2020. (In Persian) 
[16] M.   Biabanifard   and   M.  S. Abrishamian, “Multi-band circuit model of tunable THz absorber based on graphene sheet and ribbons,” AEU   Int. J. Electron. Commun‌, vol. 95,   pp. 256- 263,  2018. 
[17] R. Gao, Z. Xu, Ch. Ding, L. Wu, and J. Yao, “Graphene metamaterial for multi-band and broadband terahertz absorber,” Opt. Commun., vol. 356, pp. 400- 404, 2015.
[18] N. I. Landy, C. M. Bingham, T. Tyler, N.  Jokerst, D. R. Smith, and W. J. Padilla, “Design, theory, and measurement of a polarization insensitive absorber for terahertz imaging,” Phys. Rev. B, vol. 79, no. 12, 2009, Art. no. 125104
[19] X. He, S. Li, X. Yang, S. Shi, F. Wu, and J. Jiang “High-sensitive dualband sensor based on microsize circular ring complementary terahertz metamaterial,” J. Electromagn. Waves   Appl,   vol. 31,  no. 1,  pp. 91-100, 2017. 
[20] B.  X.  Wang, X. Zhai, G. Z. Wang, W. Q. Huang, and L. L. Wang, “A novel dual-band terahertz metamaterial absorber for a sensor application,” J. Appl. Phys, vol. 117, no. 1, p. 014504, 2015.
[21] A. Ebrahimi, R.  T.  Ako, W. S. Lee, M. Bhaskaran, S. Sriram and W. Withayachumnan, “High‌Q terahertz absorber with stable angular response,” IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol‌, vol. 10, no. 2, pp. 204-211, 2020. 
[22] J. Yu, T. Lang, and H. Chen, “All-metal terahertz Metamaterial absorber and refractive index sensing performance,”  Photonics‌, vol. 8, p. 164, 2021.
[23] T. Maier  and H. Brückl, “Wavelength-tunable microbolometers with metamaterial absorbers,” Opt. Lett., vol. 34, p. 3012, 2009. 
[24] S.  Barzegar-Parizi   and  A.  Khavasi,  “Designing dual-band absorbers by graphene/metallic metasurfaces,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 55, p. 7300108, 2019.
[25] S. Barzegar-Parizi, and A. Ebrahimi, “Ultrathin, polarization-insensitive multi-Band absorbers based on graphene metasurface with THz sensing application,” J. Opt. Soc. Am. B., vol. 37, no. 8, pp. 2372-2381, 2020.
[26] S.  Barzegar-Parizi   and B.  Rejaei,  “Calculation of effective parameters of high permittivity integrated artificial dielectrics,”  IET  Microw. Antennas Propag, vol. 9, no. 12, pp. 1287-1296, 2015.
[27] Y. Ma, “Ferroelectric materials and artificial dielectric layer structures for microwave  integrated circuit technologies,” Ph.D. Thesis‌‌,  Delft University of Technology, 2011.
[28] S. Barzegar-Parizi, A. Ebrahimi, and K. Ghorbani, “Dual-broadband and single ultrawideband absorbers from the terahertz to infrared regime,” J. Opt. Soc. Am. B., vol. 38, pp. 2628-2637, 2021.
[29] O. Luukkonen, C. Simovski, G. Gran‌, G. Goussetis, D.  Lioubtchenko,   A.  V.  Raisanen,     and   S.  A.  Tretyakov., “Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces comprising metal strips or patches,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 6, pp. 1624-1632, 2008.

[30] A. A. Baba,  M. A. B. Zakariya,  Z.  Baharudin, M. Z. u. Rehman, M. F. Ain, and Z. A. Ahmad, “Equivalent lumped-element circuit of aperture and mutually coupled cylindrical dielectric resonator antenna array," Prog. Electromagn. Res. C‌, vol. 45, pp. 15-31, 2013.
[31] C. S. R. Kaipa, A. B. Yakovlev, F. Medina, F. Mesa, C. A. M. Butler, and A. P. Hibbins, “Circuit modeling of the transmissivity of stacked two dimensional metallic meshes,” Opt. Express, vol. 18, pp. 13309‌13320, 2010. 
 [32] M. A. Ordal, R. J. Bell, R. W. Alexander, L. L. Long, and M. R. Querry, “Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W.,”  Appl. Optics., vol. 24, pp. 4493-4499, 1985.
[33] Kh. Z. Rajab, M. Naftaly, E. H. Linfield, J. C. Nino, D. Arenas, D. Tanner, R. Mittra, and M. Lanagan “Broadband dielectric characterization of aluminum oxide (Al2O3)” J. Micro. and Elect. Pack., vol. 5, pp. 101–106, 2008.
[34] D. Hu, T. Meng, H. Wang, Y. Ma, and  Q. Zhu, “Ultra-narrow-band terahertz perfect metamaterial absorber for refractive index sensing application,” Results in Phys., vol. 19, p. 103567, 2020.