基于分形几何思路的超材料结构设计:综述

发布时间：2021-10-22 08:03

　　超材料因具有超越自然材料的物理性质而备受研究者的关注。超材料的性能由结构单元的结构设计和材料体系固有属性所决定。因此,筛选合适的材料体系和优化结构单元的设计是其性能提升的两大重要策略。随着材料体系方面研究的逐渐完善,对结构单元设计的优化是有效提升超材料性能的关键。传统超材料受到频段窄、结构单一及由此导致的性能欠缺等局限,因此,需要发展更有效的新的超结构设计思路和策略。分形几何结构因具有自相似性、跨尺度对称性、非整数维度特性等独特的几何性质而成为一种重要的超结构设计准则。近年来,以分形结构为中心的设计理念逐渐形成,并应用于超材料的设计之中。分形几何结构已被广泛应用于电磁学超材料、声学超材料、力学超材料等诸多领域,其带来的优势也日益彰显。分形结构的引入实现了多频、宽带、小型化、集成化等目标,显著提升了超材料多方面的性能,在超材料设计及应用中显示出巨大的潜力。本文归纳了分形结构在超材料结构单元设计中的应用现状,首先介绍了分形几何的概念,举例分析了分形超材料在不同应用领域中的优势及贡献,总结了分形超材料常用的合成方法,最后对分形超材料面临的主要挑战及未来发展方向进行了展望。 

【文章来源】：材料导报. 2020,34(21)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

一种简单的分形吸波超材料[13]:(a)二阶分形树超材料结构;(b)不同偏振角度下吸收率的模拟值;(c)不同共振模式下电场分布(电子版为彩图)

将不同级数的分形结构组合同样是一种拓宽工作频段的策略，相比于传统结构单元的平铺，分形结构由于结构紧凑，可以在保留吸收峰强度的同时实现宽带吸收。Kenney等[22]将不同级数的十字分形结构组合，构建了一种吸收率高达93%的宽带吸收且偏振不敏感的超表面吸波器，如图2所示。该吸收器的平均吸收率达到83%，半高峰宽拓宽了45%，是当时性能最佳的平面太赫兹吸波器。通过将其与辐射探测器、半导体探测器等探测器集成，能够设计出高效的太赫兹传感装置。分形共振结构的引入为设计带来了额外的自由度，但也存在一些局限，比如结构的尺寸会限制分形结构的最大级数;填充因子的大小会受到分形谐振器的排布影响等。2.2 天线超材料

阵列天线由于互耦干扰的存在通常无法形成致密排列，采用分形结构可以有效地解耦，并减小阵列。Xu等[26]基于Hilbert分形曲线，设计一种单负磁波导电磁超材料，如图3d所示。通过采用分形结构，这种超材料实现了较宽的带隙以及较高的解耦效率，有效地减小了天线阵列，为超级性能的新型天线的研究开辟了道路。Mohammad等[27]基于分形结构，在天线元件之间插入具有分形结构槽的十字结构组件，如图3e所示，在不降低增益的情况下，将相邻元件距离降低至半波长，有利于不同元件之间的紧凑设计。这是由于复杂的分形结构拓宽了电磁带隙，有效阻断阵列中相邻辐射单元电磁相互作用产生的表面电流，降低对阵列远场的破坏，进而减小阵列中单元的间距。这种解耦结构可以应用于多输入、多输出系统以及合成孔径雷达的紧密封装的贴片天线阵列之中。2.3 声学超材料


本文编号：3450696