电磁超材料的宽频吸波性能研究

发布时间：2020-09-27 12:19

　　电磁超材料通常由于具有一些特殊的物理特性,因此在材料研究领域成为近年来的一个研究热点。通过对超材料单元结构的物理尺寸大小和形状的人为调节,就能获得我们所需要的电磁超材料的电磁参数,因此电磁超材料产生了许多新奇的现象和独特的应用,比如电磁隐身、异常光线偏折、波阵面调控等。超材料吸波器拥有传统的吸波材料所不具备的吸收强、质量轻、厚度薄、频率可调等优点。但其吸收带宽一般较窄,因此本文基于电磁超材料的吸波原理及研究方法,先后设计了两种不同的宽频带超材料吸波器结构,对其进行数值仿真后得到吸收率和反射率,对高吸收率的频带进行了有效的拓宽。本论文的主要在以下几个方面做了一些研究。本论文首先从基于慢波效应的吸波材料入手,设计了一种基于多层圆台结构的太赫兹波段宽频带吸波结构,该吸波器在1.29THz~2.34TH的频率范围内的吸收率达到90%以上,相对吸收带宽为57.85%,由于其结构具有轴对称性,因此具有极化不敏感等特性。并在此基础上对吸波结构进行了优化,用金属铬代替金作金属层,使介质层的厚度相等,得到了一种性能突出且易于加工的吸波材料,该结构在0.85-1.42THz频段内的吸收率超过80%,同时在电磁波斜入射的情况下仍具有较好的吸收效果。然后,设计了一种基于加载集总电阻的微波宽频带超材料吸波器结构。该吸波器在7.68GHz到16.94GHz频段内的吸收率达到90%以上、相对吸收带宽达到75.22%,同时具有极化不敏感和宽入射角等特性。通过观察吸波器表面电流分布及能量损耗情况,分析了吸波器的吸波原理后发现,加载集总电阻的欧姆损耗是吸波器具有强吸收的主要原因。通过观察吸波器结构的集总电阻值、单元结构周期、金属线宽及介质层厚度等参数改变后,吸波器的吸收率变化规律,分析了结构参数对吸收率的影响,发现吸波器存在一个最佳的结构参数,使得它的吸收率最高、吸收带宽最宽。最后设计了一种由圆环电阻膜片及有机介质层交替堆叠而成的超材料吸波器,通过电磁仿真分析表明,该吸波器对垂直入射电磁波的吸收率大于90%的吸波频带为7.42~59.36GHz,并且在斜入射角度为45°的TE和TM波仍具有较好的吸收效果。另外通过对不同电阻膜片层数的多件吸波器的分析表明,电阻膜片层数越多,其吸波效果也更好,吸波频带更宽,带内吸波效果更加稳定。通过对单元结构的周期变化引起的吸波效果的影响可知,当单元结构的周期在较小范围内变化时,其对吸波效果的影响不大。
【学位单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

数值,亥姆霍兹方程,公式,介质

图 1-2 按照 ε 和 μ 的数值对物质的分类0i( wt kr)E Ee = 和0i( wt kr)H He = 代入公式后（1-1）到（1-4）得到k × E = ωμHk × H = ω εEk × E= 0k × H= 0据上式的推导，能够获得亥姆霍兹方程组：2 2 E + k E=02 2 H + k H=0式（1-9）和公式（1-10）中的 k 表示：2 2k = ω εμ介质中的 μ 和 ε 都大于零（μ>0、ε>0）时，式（1-8）和（1-9）能够

切伦科夫辐射,现象,材料,左手

因此，与波源距离增大时接受到的频率也变大，相反地，与波源距离减小是接受到的频率会变小。（3）逆切伦科夫辐射效应当带电离子在介质中以恒定速度流动时，感应电流将在离子流附近产生。感应电流生成许多次要来源并辐射出次级波。当离子的运动速度超过了介质材料中的光子运动速度的时候，二次源会造成二次干扰，因此电磁场将被辐射出去，这就是切伦科夫辐射现象。在普通的材料当中，经过二级波的干涉之后在介质内激发的电磁波，能够辐射呈现出一种圆锥形的包络面。在这个结构的最上面，电磁波的发射方向将沿着椎体法线的方向，会产生一个锥形角。如图 1-3（a）所示，切伦科夫角能够用如下的公式表示：coscnvθ =（1-13）如图 1-3（b）所示，电磁波在介质材料中辐射的能量将朝着圆锥法线的方向来回地辐射，因此产生向前的锥角，这就是逆切伦科夫辐射现象[26]。

电偶极子,傅里叶,光通过,不同介质

穿过具有不同的折射率的两种介质的时候，可能发生下公式：1 1 2 2n sin θ = nsinθ和 θ2分别表示入射角和折射角，同时满足 0≤θ1≤π/2边的介质材料的折射率同时为正或负时，两者的折射值，即 θ2>0，此时可以看到法线的两边分布着入射线 4 所示。相反，当介质界面两侧的折射率满足 n1n2<此时在法线的同一边同时可以看到入射光线和折射光 1-4 折射光线 3 所示。透镜效应透镜具有衍射极限，所以透镜的应用范围受到很大限这些限制的新颖的物理性质，因此在左手材料中可达

【参考文献】