撰稿|课题组供稿
近日，太原理工大学变换光学与超材料课题组，在国际光学权威期刊Laser & Photonics Reviews上发表了题为“A Thermal–EM Concentrator for Enhancing EM Signals and Focusing Heat Fluxes Simultaneously”的研究成果。本研究中，首先利用变换光学和变换热力学设计了一种能够同时集中电磁波和热流的热-电磁集中器（TEC），并使用精心设计的热-电磁超材料实现了这种热-电磁集中器。数值模拟和实验测量的结果都验证了所提出的热-电磁集中器的双场集中能力，其可将8-12GHz的TM偏振的电磁波和热流聚焦到同一目标区域。所提出的热-电磁集中器可用于片上系统中特定元件的有效散热，同时提高片上系统内电磁天线的辐射和接收效率。该研究中，硕士研究生陈汉川和刘一超副研究员为共同第一作者，孙非副研究员为通讯作者。
为了解决上述问题，我们基于变换光学和变换热学以及热-电磁超材料设计实现了可将电磁波和热流聚焦在同一目标区域的TEC。这种热-电磁超材料主要由陶瓷圆盘和热-电磁零介质组成。热-电磁零空间介质是一种高度各向异性的双物理场超材料，能够将热流和电磁波沿着主轴方向定向引导，并在陶瓷圆盘中同时聚焦。实验和模拟结果证明，TEC能够将8到12GHz的宽带电磁波和热流同时聚焦到芯片结构的同一目标区域。本研究为电磁热同时调控及电磁热兼容管理提供了新方法。
图1：TEC的功能示意图。(a)没有使用TEC的片上系统。(b) 使用了TEC的片上系统。
如图1a所示的一般片上系统中，位于中心的片上天线接收和发射的电磁信号会受到周围其他元件的散射，导致通信效率降低。与此同时，该天线在工作时因吸收电磁能量会产生热量，导致局部温度升高，影响其周围其他模块的工作效率。通常的解决方法是在片上系统中加入半导体冷却元件，其中顶部和底部的矩形结构中，蓝色箭头表示冷流。然而，随着片上系统的集成度不断提高，制冷模块产生的冷流大部分被周围元件所吸收，只有一小部分能够到达目标模块，导致制冷和散热效率大大降低；同时，周围元件的电磁散射损耗也随着集成度的提高而增加，进一步降低了系统电磁信号传输效率。由此可见，在高集成度片上系统中，普遍存在电磁兼容和高效散热混合设计的问题。
TEC可将电磁波和热流同时聚焦在同一目标区域，可有效解决上述问题。如图1b所示，将TEC放置在片上天线周围时，它可以将冷流和电磁信号同时集中到片上天线所在区域。TEC不仅可以将制冷模块产生的冷流聚焦到该区域以实现对天线模块的精准高效制冷，同时可以将外部电磁信号聚焦到该区域以降低周围元件的电磁散射损耗，并提高天线的辐射/接收效率。
图2：设计TEC的坐标变换关系((a)与(b)分别表示参考空间与真实空间)，TEC的结构示意图(c)和样品照片(d)。
图2a和2b为变换光学和变换热力学中坐标变换的具体方法，分别表示参考空间和真实空间。在该坐标变换中，对参考空间中面积趋向于0的紫色薄环以外区域保持恒等不变，而对紫色薄环内部半径为a的圆盘被压缩成半径为b的更小的圆盘。此过程中，面积趋向于0的紫色薄环（a→c）被拉伸为真实空间中有限面积的绿色环状区域。通过变换光学和变换热力学，可以计算得到真实空间中的绿色环状区域为主轴方向沿径向方向的热-电磁零空间介质。为了实验的可行性，我们对绿色环状区域中的热-电磁零空间介质参数进行了适当的调整和简化，最终构建了图2c所示的适用于片上系统的TEC结构。它由扇形泡沫塑料和铜交错排列构成的简化热-电磁零空间介质外壳以及陶瓷圆盘组成。中心设有半径为r0，宽度为h的孔洞，用于进行电磁信号的测量。为了模拟片上工作环境，我们将TEC放置在底部的导热垫上。图2d是我们手工制作的样品的照片。在此样品中，我们使用的结构参数为b = 30 mm, r0 =3 mm, h = 3 mm, c = 90 mm, θ1 = θ2 = 5°, H= 5 mm。样品整体固定在200 × 250 × 50 mm的矩形泡沫板上。在热学实验中，为了保证表面发射率的恒定，我们在TEC的上表面覆盖了一层铁氟龙胶带。该胶带具有0.95的表面发射率，在图2d中以黑色部分表示，图中仅展示了一半，实验中则完全覆盖。
图3：实验环境示意图 (a) 热学测量环境，(b) 电磁波测量环境。
在图3a的温度场实验中，右侧的热敏电阻加热器（PTCH）由电线供电作提供恒定高温边界。左侧的散热器(Heat Sink)提供了一个恒定的低温冷却源。在样品周围放置导热系数为13 W/(mK)的导热垫，以模拟片上工作环境。在样品的上表面覆盖一层表面发射率稳定为0.95的铁氟龙胶带(见图2d)，以确保红外相机(IR Camra)采集到的温度分布数据准确。整个系统位于真空腔中，通过真空泵抽真空以避免空气对流影响实验测量结果。测量时，使用红外热相机通过真空腔上方的观察窗观察样品表面的实时温度分布。当温度场分布稳定时，表明系统已达到热平衡。此时，通过红外热相机记录温度场分布数据。图3b为电磁波的实验测量环境。电磁波实验测量在微波暗室中进行，样品放置在10倍电磁波长高的泡沫塑料块上，以防止地面回波对实验结果的干扰。矢量网络分析仪(VNA)的两个端口通过同轴线缆分别与两个环形天线相连。一个环形天线放置在TEC左侧，作为辐射源来激发TM极化电磁波。另一个环形天线放置在样品中心的空气孔洞内，作为接收天线来测量磁场强度。矢量网络分析仪用于测量不同频率下的S21参数。
图4：温度场数值模拟分布（a和b分别对应使用和没有使用TEC）和温度场实验测量分布（c和d分别对应使用和没有使用TEC）。
使用TEC的数值模拟温度场分布（图4a）和使用TEC的实验测量温度分布（图4c）相互吻合，进而验证了TEC对热流的聚焦效果。相比之下，TEC被移除后，没有使用TEC的数值模拟温度场分布（图4b）和没有使用TEC的实验测量温度分布（图4d）均没有观察到热集中效应。为了分析了热集中效果，可定义热集中效率为：
数值模拟（见图4a）与实验测量（见图4c）均显示，热集中效率达到了接近100%的水平。这些结果表明TEC样品展现出优异的热集中性能。
图5：电磁场数值模拟（a和b分别对应使用和没有使用TEC）和实验测量结果。
图5a和5b分别为使用TEC和无TEC情况下的三维数值模拟归一化磁场强度分布。在三维电磁模拟中，样品的尺寸与实验中手工制作的样品一致。在三维数值模拟中，TEC左侧放置了一个直径为6mm的环形天线，沿天线环方向施加1 A/m的表面电流，以激发入射的TM极化电磁波。在设计的工作频率10 GHz下，与图5b（无TEC情况）相比，图5a（有TEC情况）的中心区域磁场显著增强。为定量描述磁场增强程度，我们定义了增强因子A:
图5c给出8-12 GHz频率范围内数值模拟（红线）与实验测量（蓝线）增强因子A的对比。测量曲线与数值模拟曲线在几乎所有频率点上都显示出良好的一致性。整体幅度的差异是由于数值模拟与实验测量中激励源功率不一致所导致的。测量结果表明，制备的TEC样品能够在8-12 GHz频率范围内实现宽带磁场增强。在设计中心频率10 GHz时，实现了3倍以上的增益。
文章信息
Hanchuan Chen (陈汉川),# Yichao Liu (刘一超), # Fei Sun (孙非),* Qianhan Sun (孙乾瀚), Xiaoxiao Wu (吴肖肖), and Ran Sun (孙冉), A Thermal–EM Concentrator for Enhancing EM Signals and Focusing Heat Fluxes Simultaneously, Laser & Photonics Reviews 2024, 2400488 (2024)。
https://doi.org/10.1002/lpor.202400488
太原理工大学的变换光学与超材料课题组建立于2019年，目前课题组有教师3名，研究生14名。在近5年，课题组主持国家级项目3项，省级项目3项，在Advanced Materials、Physical Review Letters、Laser & Photonics Reviews等国内外知名SCI期刊发表学术论文20余篇，发表英文专著1部（ISBN 978-2-8325-3885-2）。目前研究方向包括（不限于）：隐身衣、多物理场调控、超材料、超分辨成像、零空间介质等。欢迎更多青年教师和学生的加入。
课题组网站：
https://www.x-mol.com/groups/sun_fei
另外，课题组正在Discover Applied Sciences主办一个专题研究“Advances and Extensions of Transformation Optics and Metamaterials”，欢迎大家投稿（截至2024.11.30）：https://link.springer.com/collections/hgbacbjaac
