新型人工电磁表面在隐身中的研究与应用

发布时间：2020-08-09 11:13

【摘要】：新型人工电磁表面是一种二维概念上的新型人工电磁材料,它是一种平面阵列,由亚波长尺寸的单元结构组成。由于新型人工电磁表面能够提供强大的电磁波调控能力,因而在过去的十年里引起研究人员的广泛关注,在微波和光学工程领域产生了一系列用途,如异常反射、极化分离、超薄透镜、光学全息等。本论文主要关注新型人工电磁表面在隐身技术领域的研究。主要内容和贡献概括如下:·通过在单元之间加载变容二极管,我们设计、分析、并实验验证了一种极化不敏感、频率可调的新型人工电磁表面吸波器。在所设计的频段内,基本单元在不同的角度的入射波激励下,均展现出优异的吸波特性。通过改变变容二极管两端的偏置电压,可以连续的调控基本单元的吸波频率。我们采用电磁波在分层媒质之间多次反透射的干涉理论来探讨吸波机理。为实现吸波器的极化不敏感特性,我们将基本单元沿两个正交方向排列组阵,使得吸波器能够吸收任意极化的入射波能量。实验结果显示,所设计的吸波器频率连续可调,调节带宽达到1.5 GHz(相对带宽30%)。·我们提出一种可用于精确设计随机表面带宽的方法。与之前工作不同之处在于,本设计是在一个宽频带内进行的,而不是在点频,这有利于精确设计样品的工作频带。我们采用三种基本单元来组建所设计的随机表面,其漫反射特性可归因于单元彼此之间的相消干涉作用。在设计中,单元本身的损耗也被考虑进去,从而使得理论模型更接近实际的情况。仿真结果和实验结果显示,在预先设定的频带内,随机表面展现出非常好的低散射特性,与理论预测相一致。·我们提出一种用于快速设计宽带随机表面的方法。所设计的随机表面由三种结构简单,具有不同谐振特性的基本单元组成。为在低后向反射率情形下,获取最宽的带宽特性,本设计采用遗传算法来快速、高效的调节单元的谐振,优化单元的尺寸参数。同时,采用逆傅里叶变换方法,在较高精度和极小的计算时间下求解出随机表面的远场方向图,显著提高的阵列设计的效率。我们所提出的快速设计流程在微波、太赫兹频段有着广泛的应用前景,如生物探测和成像等。·为了融合吸波器与随机表面,实现同时采用吸波机理和干涉机理来抑制反射能量,我们设计一种新型隐身表面,它由两种基本单元随机排布构成。通过选用具有合适方阻值的ITO薄膜进行单元设计,可以在宽频带内提高单元对入射波电磁能量的吸收率。同时,剩余电磁能量会在不同单元之间的产生干涉现象,形成漫反射,从而进一步缩减后向反射能量。实验结果显示,从6.8 GHz到19.4 GHz频带内,该新型隐身表面具有很好的隐身特性,与仿真结果相符合。另外,我们所采用的材料均具有光学透明特性,这将让我们的设计在光伏太阳能电池和电磁屏蔽玻璃等方向具有潜在的应用前景。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441;TB34

【参考文献】