基于重掺杂半导体的超材料的研究与设计
发布时间：2021-01-27 05:20
电磁波的调控一直都是人们不可忽视的研究方向,而实现对电磁波的完美吸收并加以利用是电磁科学技术中的亟待解决的重要问题之一。电磁吸波器在许多应用中都起到至关重要的作用,例如太阳热能收集,热-光伏能量转换,热成像和发射率控制等。同时许多研究工作表明,基于超材料开发的电磁器件在微波、太赫兹、红外和光学频率范围内都有相当大的应用价值。伴随着微纳米加工技术的进步与发展,在太赫兹波段频率范围内,人们基于“超材料”概念设计的电磁器件对太赫兹波在调控方面的相关研究找到了关键性的突破口。通常,由于金属材料表面存在大量的自由电子,而成为设计超材料器件的首选材料。但因为金属自身的局限性,导致最后得到的器件往往普遍会存在工作带宽窄、加工复杂、精度要求高、器件一经加工成型对电磁波的响应不可调控等问题。针对现在存在的问题,我们利用重掺杂半导体进行研究设计了在太赫兹频段的可调控以及宽带吸波器。本论文主要研究内容与进展如下:（1）利用介质-掺杂半导体的简单结构,基于阻抗变换的方法,通过掺杂来调整掺杂半导体的介电常数,实现了对太赫兹波的完美吸收。在此研究基础上,我们分别设计了一种宽带吸波器与一种可调控吸波器。通过在基本吸...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁波全波段示意图
电子科技大学硕士学位论文2而要实现对太赫兹波的广泛应用，太赫兹波的高效产生方法以及太赫兹波的相关功能器件（如滤波器、吸波器、调制器等）的研制是至关重要对的环节，而由于绝大多数的自然材料对太赫兹的电磁响应十分微弱，使得人们对太赫兹波的传输和使用受到了很大的限制，而随着超材料的出现让人们在太赫兹领域的研究有了新的发展与突破。1.2太赫兹吸波器的研究现状1.2.1吸波器的研究现状对吸波器的研究，最早可以追溯到1952年，由麻省理工学院的Salisbury教授发明的Salisbury吸波屏[3]，被认为是最早的吸波器结构。Salisbury吸波屏制作与应用是第一个用于减少无线电波从表面反射的方法，也是雷达吸收的首批概念之一，今天被人们称为隐形技术，这种技术尤其用于防止雷达对飞机的探测。如图1-2所示，其显示了Salisbury吸波屏基本的结构组成。图1-2Salisbury吸波屏典型机构Salisbury吸波屏的工作原理与光学抗反射涂层相同，光学抗反射涂层通常用于覆盖光学元件（如相机镜头）的表面，以增强光的透射率并防止光从表面反射。Salisbury吸波屏的最简单设计包括三层：金属背板，精确厚度的电介质层（通常是吸收雷达波波长的四分之一）和薄而有光泽的阻抗层用于自由空间阻抗匹配。当雷达波入射顶部阻抗层时，它分成两波；一个波从有光泽的表面屏幕反射，另一个波穿过电介质层，从金属表面反射，然后从电介质中传回空气。第二波传播的四分之一波长的额外距离导致其与第一波的相位差为。当第二波到达表面
第一章绪论3时，它与第一波合并，并且由于相消干涉而彼此抵消。因此，没有雷达波反射回接收器。在Salisbury吸波屏中，电介质层的厚度是吸收波长的四分之一（4）。由于第二传播波的距离是电介质厚度的两倍，因此传播的额外距离是半个波长（2），导致第二传播波是第一传播波反向波长的一半（）。当两个波合并时，一个波的最大值与另一个波的最小值一致，使得总和为零。雷达波长范围在10cm至1mm之间，因此，Salisbury吸波屏的四分之一波长厚度最大为2.5cm。Salisbury吸波屏的缺点之一是它仅在由介电膜厚度（4）确定的单个雷达频率下才能很好地工作。但由于Salisbury吸波屏存在吸收带相对较窄的缺点，设计出的Janmann吸波屏[4]可以实现对整个频带的覆盖。如图1-3所示，Janmann屏是Salisbury屏的多屏形式，其通过在金属层增加对应吸收波长的单元结构层，而每一层之间的厚度都被认为是对应频率的四分之一波长的距离，进而实现吸收频段的叠加，使得到的Janmann屏吸波结构的整体吸波带宽相对更宽，但是这种形式的吸波结构也伴随着体积大，质量重的缺点，在实际应用上造成很大的困难。图1-3Janmann吸波屏典型机构而随后的近十多年对超材料研究热潮的兴起后，人们把超材料的应用延伸到了电磁吸收上。超材料(Metamaterial)[5]-[6]，特指那些具有特异电磁特性的人工复合电磁材料。与一般的材料不同，其表现出来的电磁特性主要取决于材料中呈周期性或非周期性分布的人工结构单元，与各组成材料的本征特性无关。正是基于这样的材料特性，人们通过人为设计材料的单元结构及分布方式，让其对电磁波产生与常规材料完全不同的特殊响应，产生一系列的超常物理现象，进而对电磁波实现一些特殊的调控。
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维超材料制造技术现状与趋势[J]. 田小永,尹丽仙,李涤尘. 光电工程. 2017(01)
博士论文
[1]超材料电磁共振及调控机理研究[D]. 闵力.华中科技大学 2016
本文编号：3002496
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁波全波段示意图
电子科技大学硕士学位论文2而要实现对太赫兹波的广泛应用，太赫兹波的高效产生方法以及太赫兹波的相关功能器件（如滤波器、吸波器、调制器等）的研制是至关重要对的环节，而由于绝大多数的自然材料对太赫兹的电磁响应十分微弱，使得人们对太赫兹波的传输和使用受到了很大的限制，而随着超材料的出现让人们在太赫兹领域的研究有了新的发展与突破。1.2太赫兹吸波器的研究现状1.2.1吸波器的研究现状对吸波器的研究，最早可以追溯到1952年，由麻省理工学院的Salisbury教授发明的Salisbury吸波屏[3]，被认为是最早的吸波器结构。Salisbury吸波屏制作与应用是第一个用于减少无线电波从表面反射的方法，也是雷达吸收的首批概念之一，今天被人们称为隐形技术，这种技术尤其用于防止雷达对飞机的探测。如图1-2所示，其显示了Salisbury吸波屏基本的结构组成。图1-2Salisbury吸波屏典型机构Salisbury吸波屏的工作原理与光学抗反射涂层相同，光学抗反射涂层通常用于覆盖光学元件（如相机镜头）的表面，以增强光的透射率并防止光从表面反射。Salisbury吸波屏的最简单设计包括三层：金属背板，精确厚度的电介质层（通常是吸收雷达波波长的四分之一）和薄而有光泽的阻抗层用于自由空间阻抗匹配。当雷达波入射顶部阻抗层时，它分成两波；一个波从有光泽的表面屏幕反射，另一个波穿过电介质层，从金属表面反射，然后从电介质中传回空气。第二波传播的四分之一波长的额外距离导致其与第一波的相位差为。当第二波到达表面
第一章绪论3时，它与第一波合并，并且由于相消干涉而彼此抵消。因此，没有雷达波反射回接收器。在Salisbury吸波屏中，电介质层的厚度是吸收波长的四分之一（4）。由于第二传播波的距离是电介质厚度的两倍，因此传播的额外距离是半个波长（2），导致第二传播波是第一传播波反向波长的一半（）。当两个波合并时，一个波的最大值与另一个波的最小值一致，使得总和为零。雷达波长范围在10cm至1mm之间，因此，Salisbury吸波屏的四分之一波长厚度最大为2.5cm。Salisbury吸波屏的缺点之一是它仅在由介电膜厚度（4）确定的单个雷达频率下才能很好地工作。但由于Salisbury吸波屏存在吸收带相对较窄的缺点，设计出的Janmann吸波屏[4]可以实现对整个频带的覆盖。如图1-3所示，Janmann屏是Salisbury屏的多屏形式，其通过在金属层增加对应吸收波长的单元结构层，而每一层之间的厚度都被认为是对应频率的四分之一波长的距离，进而实现吸收频段的叠加，使得到的Janmann屏吸波结构的整体吸波带宽相对更宽，但是这种形式的吸波结构也伴随着体积大，质量重的缺点，在实际应用上造成很大的困难。图1-3Janmann吸波屏典型机构而随后的近十多年对超材料研究热潮的兴起后，人们把超材料的应用延伸到了电磁吸收上。超材料(Metamaterial)[5]-[6]，特指那些具有特异电磁特性的人工复合电磁材料。与一般的材料不同，其表现出来的电磁特性主要取决于材料中呈周期性或非周期性分布的人工结构单元，与各组成材料的本征特性无关。正是基于这样的材料特性，人们通过人为设计材料的单元结构及分布方式，让其对电磁波产生与常规材料完全不同的特殊响应，产生一系列的超常物理现象，进而对电磁波实现一些特殊的调控。
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维超材料制造技术现状与趋势[J]. 田小永,尹丽仙,李涤尘. 光电工程. 2017(01)
博士论文
[1]超材料电磁共振及调控机理研究[D]. 闵力.华中科技大学 2016
本文编号：3002496
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