多频和宽带超材料吸波体设计与研究

发布时间：2020-04-28 07:36

【摘要】：超材料是一种人工合成的复合材料,具有自然界中常见材料所不具备的超常的物理特性,在诸多领域有着巨大的应用价值。超材料吸波体作为超材料的一个分支,近些年来发展迅速。由于其在辐射防护、电磁兼容和雷达隐身领域的不俗表现,受到了科研人员的广泛关注。本文主要围绕新型超材料吸波体的多频化和宽带化两个方面展开研究,设计提出了两种新型超材料吸波体,主要的研究内容和成果如下:针对舰船等平台的电磁兼容问题设计了一种基于双缝金属片结构的多频超材料吸波体,该吸波体结构简单,吸波性能良好,仿真结果显示在4.64 GHz、8.67 GHz、13.93 GHz和18.53 GHz处,吸收率分别达到99.99%、99.95%、99.94%和93.50%。吸波体结构单元很薄,仅有0.72 mm,分别为各个吸波频点对应工作波长的3.3%、6.3%、10.0%、13.3%。为了说明该吸波体的吸波机理,分析了各个吸波频点处的表面电流,给出了各个频点的谐振模式,又提取了吸波体的等效阻抗,利用阻抗匹配理论来说明高吸收率的成因。接着利用有损和无损介质基板以及铜和完美电导体的不同组合,研究了该吸波体的能量损耗方式。最后分析讨论了结构参数的变化对该吸波体吸收率的影响,并提出了一种五频吸波体的设计方案。针对X波段雷达隐身设计并实验制备了一种加载集总电阻的金属环形宽带高吸收率超材料吸波体,仿真结果表明吸收率大于90%的吸波频带为8.4-13.6 GHz,基本覆盖X波段,相对吸波带宽为47.3%,吸收率大于99%的吸波频带为10.3-13.1 GHz,相对吸波带宽达到23.9%。通过研究吸波峰值处的表面电流分布以及提取吸波体的等效阻抗,分别从仿真角度和理论角度阐述了吸波体的吸波机理,另外又研究了吸波体能量损耗的主要方式。随后给出了吸波体的等效电路模型,结合电路理论给出了吸波宽带化的成因。接着讨论了吸波体的极化敏感特性和宽入射角特性,并分析了各个结构参数的变化对吸波体吸收率的影响,最后制备了吸波体实验样品进行了实验验证。
【图文】：

左手,人工合成,材料

料即介电常数和磁导率中有一个为负值的材料被发现也材料和双负材料一起被各界深入研宄。逡逑宄进展和应用逡逑年代，苏联理论物理学家Ｖｅｓｅｌａｇｏ首次提出超材料的概念［常规介质，并对左手材料的基本理论以及其特有的电磁迫于当时实验条件的限制，，无法进一步通过实验证明左手里有关左手材料的研宄一直没有实质性的突破。直到１９９ｅｎｄｒｙ教授的研究公布，才打破这个僵局。Ｐｅｎｄｒｙ教授的性的金属条阵列结构有效的降低了等离子体的实现频率，数［Ｕ］。在此之后，Ｐｅｎｄｒｙ教授团队又利用两个开口圆ｓ）设计出一种谐振结构，并证明其具有负的磁导率［１４］。２教授及其团队在Ｐｅｎｄｒｙ教授的研宄基础上，将金属开口谐，构成周期结构，首次设计出双负的人造左手材料［１５］，现介电常数和磁导率均为负值，在学术界引起了轰动，视。逡逑

结构图,物理单元,设计材料,材料学

究人员又设计出多种亚波长周期结构来实现负折射率效应。２００６年，Ｐｅｎｄｒｙ等人设计逡逑并制备了“隐身斗篷”，通过多层圆柱形超材料人工结构相互嵌套，在微波频段实现了逡逑电磁隐身［１９］，如图１．３所示。在介质周围加上超材料结构，使得电磁波入射到介质表面逡逑时会出现“绕射”现象，从而实现了隐身的效果。２００７年，Ｖａｒａｄａｎ等人实验证明了存逡逑在Ｘ波段的“隐身斗篷”逦Ｈｕ等人利用多层结构设计出了基于电磁超材料的太赫兹逡逑频段的“隐身斗篷”邋［２１］。近些年来，随着对超材料研究的不断深入，超材料在多个领域逡逑如隐身技术、微波器件小型化、电磁兼容和频率选择表面等领域都有着迅猛的发展。逡逑■丨丨丨逦■逡逑．４逦ｒ逡逑图１．３二维微波隐身结构图逡逑超材料成为二十一世纪材料学发展的一个新的突破口，为材料设计提供了一种全新逡逑的设计思路，通过设计材料的物理单元结构来打破原有的某些客观规律限制，来获得常逡逑规材料所没有的超常物理性质。超材料可以让研宄人员在很大的范围内主观地控制和设逡逑计材料的电磁学特性，从而操纵电磁波的传输。超材料的理论创新以及重大的应用价值逡逑引起／社会各界的ｉＷｉ度关注。逡逑随着对超材料研宄的不断发展，在其应用领域的研究上己经取得了一定的成果，例逡逑如完美吸波体、完美透镜、超材料天线、表面波器件、微型激光器、宽带移相器、平板逡逑聚焦器等等［＆２３］。超材料的放大效应、开关效应等特性也在进一步的研究之中。左手材逡逑料由于其电磁参数的可控性，最早被广泛研宄，利用左手材料实现的“完美透镜”在医逡逑学成像以及环
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】