薄膜电磁超材料的弯曲及其对电磁性能的影响研究
发布时间：2020-12-26 15:53
电磁超材料作为一种人工复合材料,可通过在关键物理尺度上的独特设计而使其具备超常的物理性质,具有优秀的可设计性,应用前景广阔,涵盖民用、军事与国防等众多领域。作为主要应用形式之一,电磁超材料吸波器因其具备相对于传统吸波材料的高效吸收与结构轻薄等优势而备受青睐。而以柔性薄膜材料作为中间介质的电磁超材料吸波器在可共形与可调谐方面的优异表现,令其成为当下的研究热门。对于柔性薄膜材料,弯曲是其主要变形形式,因此研究弯曲行为对薄膜超材料的电磁性能影响具有重要的应用价值。首先,本文利用柔性材料作为中间介质,设计了一款在C波段内实现双频吸收的薄膜电磁超材料吸波器,该吸波器对极化方式不敏感,对于30°以内倾斜入射的电磁波仍然有较为理想的吸收效果。通过调节谐振单元尺寸,进而研究了谐振单元结构参数对电磁性能的影响规律。根据仿真结果,从电场强度与表面电流分布的角度分析了吸波器电磁能量的损耗机理。其次,在前文设计的超材料吸波器基础上,研究了弯曲变形对吸波器性能的影响规律。对于整体弯曲,通过计算平面状态下与不同弯曲程度的吸波器单元阵列的雷达散射截面,并使之与相同形状的金属导体形成对比,表征弯曲变形对电磁性能的影响...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性薄膜材料在电磁超材料中的应用[3][4][5][6]
ㄆ髂诓浚?倮?媒橹什愣缘绱拍芰拷?邢?拇佣?迪值绱挪ǖ牡テ档?吸收。基于Salisbury屏，E.F.Knott等人提出了Jaumann吸波器[8]，他们将两个乃至更多的电阻层与介质层进行依次交替排列，每一层电阻层对应相邻的不同频点，通过多层累积来拓宽中心频点的吸收带宽。但传统的常规电磁吸波器仍存在一些弊病，其厚度要求一般不小于入射电磁波波长的1/4，但如果为了刻意增加吸收带宽势必会增加层级数，层数的增加又会导致厚度的显著增长；同时这类吸波器的电磁吸收特性难以加以控制，种种缺陷都阻碍了常规吸波器的实际应用。图1-2Landy提出的完美吸波器(a)电谐振单元(b)矩形金属薄板(c)吸波器整体单元结构[9]鉴于传统吸波器的种种缺陷，研究人员开始将目光投向电磁超材料，并利用超材料的逆向思维来对吸波器进行设计。最早的电磁超材料吸波器是2008年Landy[9]等提出的一种三层式结构，因其在吸收频点处接近100%的理论电磁波吸
士顿大学的HuTao与Landy合作[10]提出了一种基于PMA的改进型电磁超材料吸波器，其改良之处在于将底层的矩形金属薄板替换成了连续的金属薄膜。与第一种吸波器相比，由于联系金属薄膜的存在，电磁波无法穿透整个材料；同时在制备时只需要一步光刻步骤便能实现，简化了成型工艺。自此之后，具有连续金属背板或金属薄膜的三层式结构便成为电磁超材料吸波器的主流结构。Landy等[11]考虑到之前提出的吸波器结构存在各向异性的缺陷，即吸波性能对电磁波极化方式敏感，又提出了一种可以消除极化敏感问题的超材料吸波器结构，如图1-3所示。其主要特征是最上面的金属谐振层被设计为中心对称图形，理论计算表明这种改进方式可以消除各向异性，在理论与实验中均得到了验证。图1-3消除极化敏感性的超材料吸波器(a)、(b)金属谐振单元(c)结构示意图[11]国内的张燕萍等[12]提出了一种树枝状分形结构的超材料吸波器作为消除各向异性问题的另一种解决方案。首先在厚度为0.8mm的FR-4介质基板的正反两侧刻蚀厚度为30μm的金属铜树枝结构阵列，在对其表面进行浸银处理。通过参数的优化调节最终实现了阻抗的匹配，吸收率的实测结果达到了90.01%。基于上述学者们的早期贡献，在此之后，电磁超材料吸波器单元的结构设计通常具有三个特点：三层结构、金属背板连续、金属谐振层中心对称；电磁超材料吸波器的研究主要朝着增加谐振频点（双频或多频吸收）和拓展吸收频率带宽这两个方向前进[13]。(1)多频吸波器电子科技大学的文岐业课题组[14]设计了一款可以实现双频吸收的吸波器结构。首先在500μm厚的半绝缘砷化镓SI-GaAs基板上制备10μm厚的聚酰亚胺薄层，然后在两侧均镀上金属薄膜层。最终在有聚酰亚胺的一侧金属刻蚀出如图图1-4所示的谐振单元。这种吸波?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超材料的电磁能量吸收与转换研究现状及发展趋势简析[J]. 龙天斌,江炳萱,张俊涛,熊汉. 航天器环境工程. 2019(05)
[2]电磁超材料的研究现状与发展趋势[J]. 童杨,郝新新. 中国基础科学. 2019(03)
[3]折纸及其折痕设计研究综述[J]. 李笑,李明. 力学学报. 2018(03)
[4]基于超材料的新型宽带微波吸波器设计[J]. 郝宏刚,丁天玉,罗伟,周小川. 激光与光电子学进展. 2018(06)
[5]电镀铜薄膜力学性能的实验研究[J]. 苏飞,张铮,熊吉,邵将. 实验力学. 2012(05)
[6]基于阻抗匹配条件的树枝状超材料吸收器[J]. 张燕萍,赵晓鹏,保石,罗春荣. 物理学报. 2010(09)
[7]超材料(metamaterials)在电子元件中的应用[J]. 周济. 电子元件与材料. 2008(09)
硕士论文
[1]新型电磁超材料吸波器研究[D]. 王玲玲.南京航空航天大学 2017
本文编号：2940006
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性薄膜材料在电磁超材料中的应用[3][4][5][6]
ㄆ髂诓浚?倮?媒橹什愣缘绱拍芰拷?邢?拇佣?迪值绱挪ǖ牡テ档?吸收。基于Salisbury屏，E.F.Knott等人提出了Jaumann吸波器[8]，他们将两个乃至更多的电阻层与介质层进行依次交替排列，每一层电阻层对应相邻的不同频点，通过多层累积来拓宽中心频点的吸收带宽。但传统的常规电磁吸波器仍存在一些弊病，其厚度要求一般不小于入射电磁波波长的1/4，但如果为了刻意增加吸收带宽势必会增加层级数，层数的增加又会导致厚度的显著增长；同时这类吸波器的电磁吸收特性难以加以控制，种种缺陷都阻碍了常规吸波器的实际应用。图1-2Landy提出的完美吸波器(a)电谐振单元(b)矩形金属薄板(c)吸波器整体单元结构[9]鉴于传统吸波器的种种缺陷，研究人员开始将目光投向电磁超材料，并利用超材料的逆向思维来对吸波器进行设计。最早的电磁超材料吸波器是2008年Landy[9]等提出的一种三层式结构，因其在吸收频点处接近100%的理论电磁波吸
士顿大学的HuTao与Landy合作[10]提出了一种基于PMA的改进型电磁超材料吸波器，其改良之处在于将底层的矩形金属薄板替换成了连续的金属薄膜。与第一种吸波器相比，由于联系金属薄膜的存在，电磁波无法穿透整个材料；同时在制备时只需要一步光刻步骤便能实现，简化了成型工艺。自此之后，具有连续金属背板或金属薄膜的三层式结构便成为电磁超材料吸波器的主流结构。Landy等[11]考虑到之前提出的吸波器结构存在各向异性的缺陷，即吸波性能对电磁波极化方式敏感，又提出了一种可以消除极化敏感问题的超材料吸波器结构，如图1-3所示。其主要特征是最上面的金属谐振层被设计为中心对称图形，理论计算表明这种改进方式可以消除各向异性，在理论与实验中均得到了验证。图1-3消除极化敏感性的超材料吸波器(a)、(b)金属谐振单元(c)结构示意图[11]国内的张燕萍等[12]提出了一种树枝状分形结构的超材料吸波器作为消除各向异性问题的另一种解决方案。首先在厚度为0.8mm的FR-4介质基板的正反两侧刻蚀厚度为30μm的金属铜树枝结构阵列，在对其表面进行浸银处理。通过参数的优化调节最终实现了阻抗的匹配，吸收率的实测结果达到了90.01%。基于上述学者们的早期贡献，在此之后，电磁超材料吸波器单元的结构设计通常具有三个特点：三层结构、金属背板连续、金属谐振层中心对称；电磁超材料吸波器的研究主要朝着增加谐振频点（双频或多频吸收）和拓展吸收频率带宽这两个方向前进[13]。(1)多频吸波器电子科技大学的文岐业课题组[14]设计了一款可以实现双频吸收的吸波器结构。首先在500μm厚的半绝缘砷化镓SI-GaAs基板上制备10μm厚的聚酰亚胺薄层，然后在两侧均镀上金属薄膜层。最终在有聚酰亚胺的一侧金属刻蚀出如图图1-4所示的谐振单元。这种吸波?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超材料的电磁能量吸收与转换研究现状及发展趋势简析[J]. 龙天斌,江炳萱,张俊涛,熊汉. 航天器环境工程. 2019(05)
[2]电磁超材料的研究现状与发展趋势[J]. 童杨,郝新新. 中国基础科学. 2019(03)
[3]折纸及其折痕设计研究综述[J]. 李笑,李明. 力学学报. 2018(03)
[4]基于超材料的新型宽带微波吸波器设计[J]. 郝宏刚,丁天玉,罗伟,周小川. 激光与光电子学进展. 2018(06)
[5]电镀铜薄膜力学性能的实验研究[J]. 苏飞,张铮,熊吉,邵将. 实验力学. 2012(05)
[6]基于阻抗匹配条件的树枝状超材料吸收器[J]. 张燕萍,赵晓鹏,保石,罗春荣. 物理学报. 2010(09)
[7]超材料(metamaterials)在电子元件中的应用[J]. 周济. 电子元件与材料. 2008(09)
硕士论文
[1]新型电磁超材料吸波器研究[D]. 王玲玲.南京航空航天大学 2017
本文编号：2940006
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