超构表面对电磁波散射特性的调控研究

发布时间：2020-07-29 12:20

【摘要】：人工电磁材料是由周期排布的亚波长单元结构形成的人工复合结构或复合材料。由于它具有天然材料所不具备的奇异电磁特性,并可用于产生如异常反射、折射等新颖物理现象,近几年来逐渐成为电磁场领域的研究热点。电磁超构表面为人工电磁材料的二维形式,它具有重量轻、体积小、易于设计等优点。电磁超构表面在分界面上引入了具有相位突变特性的谐振单元,从而能够根据设计的空间相位分布灵活地调控电磁波的传播特性。本文主要开展了利用超构表面对自由空间电磁波进行散射特性调控的研究工作。通过设计具有特定相位和幅值响应的超构表面单元结构,并根据预设的散射效果设计超构表面的空间相位分布,我们实现了对电磁波散射特性的宽带调控。本文具体工作如下:1、基于各向异性电磁超构表面,我们设计出具有多功能的平板抛物面天线,包括极化可切换的平板抛物面天线和具有低散射特性的平板抛物面天线。极化可切换的平板抛物面天线工作在X波段,它能够根据馈源旋转角度实现出射电磁波在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间切换的功能。低散射平板抛物面天线由具有各向异性电磁特性的基本谐振单元(正交的“I”字形结构)组成。通过改变单元结构的几何参数,可实现对单元结构相位响应的全面调控。通过分别设计反射型超构表面在x极化和y极化方向上的空间相位分布,使得超构表面在x极化方向实现高方向性抛物面天线功能,同时,在y极化方向上实现随机散射功能,以降低抛物面天线的背向雷达散射截面。2、基于随机表面的设计原理,我们研制了多款宽带编码低散射超构表面,用于目标物体的背向雷达散射截面缩减。将具有宽带电磁响应的单元结构按照计算机产生的伪随机序列,依次分布在有限尺寸平面内,在宽带内,可实现背向散射10dB以上的缩减效果。此外,针对特定的视觉窗口应用背景,如船舶、军用车辆上的玻璃窗户,我们还设计了具有光学透明特性的微波宽带随机散射超构表面,可同时用于视觉观察和电磁隐身效果。在该类超构表面中,我们以透明导电氧化物代替传统的铜材料,以柔性透明的介质板代替普通电路板材,同时实现了光学透明和电磁散射特性调控的功能。仿真分析和实验测量均验证了该超构表面的宽带散射抑制能力。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN011
【图文】：

正折射,负折射率,材料,负折射

根据Ｖｅｓｅｌａｇｏ发表的具有重大意义的理论工作，可以推断，当一束光从正折逡逑射率材料入射到负折射率材料中时，折射光线将与入射光线在法线的同一侧，如逡逑图１．２所示。当两种材料的折射率为一正一负时，折射光线在交界面出发生反向逡逑弯折，这一现象与我们熟知的正折射率材料的折射现象完全不同。左手材料的理逡逑论提出预测了不同于传统材料的奇异物理特性，如负折射［２－４］、完美理想透镜［５－逡逑９］、逆多普勒效应［１０－１３］、逆切伦科夫辐射［１４－１５］和逆古斯汉欣位移［１６－１７］等。逡逑然而，由于自然界中不存在左手材料，Ｖｅｓｅｌａｇｏ在１９６８年提出左手材料的概念逡逑后一直没有被实验验证。逡逑产邋ｉ逡逑斧，＞。逡逑Ａ邋／邋：邋＾＜０逡逑、Ｅｒ逡逑图１．２在正折射率材料和负折射率材料交界面上发生的负折射现象图，其中在负折射率材逡逑料中，波矢＾和波印廷矢量至是反平行的，而在正折射率材料中，它们是正平行的。逡逑直到１９９６年，英国物理学家Ｐｅｎｄｒｙ教授首次设计出具有负介电常数的周期逡逑性金属棒阵列结构［１８］

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逑W爵逡逑图１．４邋Ｐｅｎｄｒｙ教授和Ｓｍｉｔｈ教授提出的人工电磁隐身斗篷中电磁波轨迹示意图［２１］。逡逑图１．５邋Ｓｍｉｔｈ教授等人设计的Ｘ波段隐身衣实物图丨２３］。逡逑随着国内外对人工电磁材料研究的深入，涌现出大量创新性和实用性的科研逡逑成果。从微波到光学波段都有人工电磁材料的相关研究，如人工电磁隐身斗篷、逡逑应用于超分辨率成像及无损检测中的超透镜、基于渐变折射率的透镜天线和零折逡逑射率天线、理想吸收体等。逡逑１．１．２电磁超构表面及其研宄现状逡逑电磁超构表面（英文名称为ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，又称超表面）是将亚波长结构按逡逑照特定的规律排布在表面上形成的阵列，它的厚度远小于波长，因而可以看成是逡逑人工电磁材料的二维形式［２４］。相比人工电磁材料，电磁超构表面具有体积小、逡逑重量轻、易于设计等优势。基于此，电磁超构表面在近十年内得到快速发展，在逡逑微波段、太赫兹甚至光波段都涌现出大量优秀科研成果。电磁超构表面的应用涵逡逑盖广泛，如微波器件［２５－２６］、天线［２７－２８】、隐身斗篷［２９］、光学器件［３０－３２］等。逡逑在人工电磁材料研宄之初

示意图,电磁波,轨迹,磁材料

W爵逡逑图１．４邋Ｐｅｎｄｒｙ教授和Ｓｍｉｔｈ教授提出的人工电磁隐身斗篷中电磁波轨迹示意图［２１］。逡逑图１．５邋Ｓｍｉｔｈ教授等人设计的Ｘ波段隐身衣实物图丨２３］。逡逑随着国内外对人工电磁材料研究的深入，涌现出大量创新性和实用性的科研逡逑成果。从微波到光学波段都有人工电磁材料的相关研究，如人工电磁隐身斗篷、逡逑应用于超分辨率成像及无损检测中的超透镜、基于渐变折射率的透镜天线和零折逡逑射率天线、理想吸收体等。逡逑１．１．２电磁超构表面及其研宄现状逡逑电磁超构表面（英文名称为ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，又称超表面）是将亚波长结构按逡逑照特定的规律排布在表面上形成的阵列，它的厚度远小于波长，因而可以看成是逡逑人工电磁材料的二维形式［２４］。相比人工电磁材料，电磁超构表面具有体积小、逡逑重量轻、易于设计等优势。基于此，电磁超构表面在近十年内得到快速发展，在逡逑微波段、太赫兹甚至光波段都涌现出大量优秀科研成果。电磁超构表面的应用涵逡逑盖广泛，如微波器件［２５－２６］、天线［２７－２８】、隐身斗篷［２９］、光学器件［３０－３２］等。逡逑在人工电磁材料研宄之初

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