电磁吸波超材料理论与设计研究

发布时间：2018-07-10 09:30

本文选题：吸波材料 + 超材料　；参考：《国防科学技术大学》2015年博士论文

【摘要】：电磁吸波材料由于其在军事和民用方面都有着十分广泛的应用前景,长期以来受到世界各国研究者的关注。随着材料制备水平以及微观结构表征能力的不断改进与提高,传统材料吸波性能的提升难度越来越大。近年来出现的超材料由于其不同寻常的电磁响应特性得到了快速的发展,是当前国际学术界的研究热点和前沿。它的出现使得人们能够从宏观尺度层面上设计和控制材料的电磁响应特性,极大地拓展了电磁吸波材料的发展空间。本论文紧紧围绕超材料奇异的电磁响应特性及其可人为设计的特点,对其在电磁吸波材料应用中的物理机制、设计方法以及工作带宽拓展等重要基础问题进行了系统的理论分析、数值仿真和实验验证,主要研究内容和结论概括如下:1.利用传输线等效电路模型研究了在给定反射率阈值的情况下高阻抗表面吸波材料所需电阻片方阻的理论取值范围,并与Salisbury吸波屏进行了比较,发现对于相同的反射率阈值,高阻抗表面吸波材料所需方阻的取值范围较小,这可为在吸波性能数值优化过程中电阻片方阻值的初始值范围设置提供理论依据。同时,还推导了适合于基体为任意材料的高阻抗表面吸波材料理论带宽极限,结果表明带宽极限与接地基体的最大磁导率以及厚度成正比,而磁导率的频散特性是决定着实际工作带宽能否达到该最大理论带宽的关键因素。通过类比具有宽带吸波性能电路模拟吸波体的工作机制,从阻抗匹配的角度提出了利用具有谐振特性的超材料基体来拓展高阻抗表面吸波材料工作带宽的思路,设计并验证了接地基体中含有直立金属开口环结构的宽带高阻抗表面吸波材料。2.通过腔体共振等效电路模型构建了短切线超材料结构组成参数与吸波性能之间的内在关系。结果表明吸收频率由短切线长度、隔离层的电磁参数决定,而吸收率与隔离层的厚度、金属的欧姆损耗以及隔离层的介电损耗相关。由于等效输入阻抗的实部与厚度、欧姆损耗以及介电损耗等因素成单调函数关系,因而对于其中任意一个因素,在给定其他因素的情况下,总存在一个合适的值使得吸收率达100%,这对吸波超材料的工程设计具有重要的指导价值。另外,由于代表损耗的等效集总电阻位于输入阻抗的分母中,因而建立的模型合理地解释了为什么具有很小的损耗超材料就可获得非常强的吸收。随后,基于叠加原理提出了采用立体共振结构替代传统二维平面结构超材料实现宽带吸波的思路。通过理论分析由直立短路传输线构成锯齿状立体结构超材料的工作机理及其吸波特性,表明吸收频率由短路传输线高度决定,且满足其对应四分之一介质波长等于传输线高度的具体关系,并设计和验证了具有高度渐变的锯齿状立体结构宽带吸波超材料。根据超材料共振尺寸缩放原则,该宽带吸波超材料结构也适用于包括毫米波、太赫兹、红外等在内的高频波段。3.通过数值仿真手段分析了碳纤维替代超材料中金属结构单元用于吸收电磁波的可行性,并考察了碳纤维束丝电导率各向异性特点对超材料吸波性能的影响规律。随后,制备了具有单向和十字堆垛交叉结构、多层结构以及立体结构的碳纤维吸波超材料样品,实验与数值仿真结果表明通过改变碳纤维在超材料中的拓扑结构,可以实现单极化与任意极化、单带与多带以及窄带与宽带吸波性能的调控,充分验证了碳纤维应用于超材料吸波的可行性,为碳纤维吸波材料的发展提供了一个全新的思路。
[Abstract]:In this paper , the theoretical analysis , numerical simulation and experimental verification of high impedance surface wave absorbing material with high impedance are studied .
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34

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