可调太赫兹超材料吸收器

发布时间：2020-10-01 06:31

　　超材料是一种新型的人造材料,由亚波长周期性结构组成,具有许多非凡的电磁特性。近年来,由于与传统技术相比,超材料在太赫兹波段的应用中具有很多独特的优势,因此引起了越来越多的关注。在各种太赫兹超材料器件中,太赫兹超材料吸收器对太赫兹技术的研究起着重要作用。相较于传统吸收器的吸收特性受制于组成材料固有的介电常数和磁导率,超材料吸收器可以通过灵活设计周期结构的几何形状和尺寸,来实现不同频段的选择性吸收,从而引起了研究人员的重点关注。虽然太赫兹超材料吸收结构具有诸多优点,但当结构制备完成后其几何形状将固定不变,因此很难对其吸收特性进行调制,从而限制了其应用范围。虽然到目前为止,研究人员已经提出了多种调制方法,但是大部分已有方法往往制备工艺复杂且集成困难,难以满足实际应用的需求。因此,探索更易于制备且集成度高的可调太赫兹超材料吸收器一直以来是相关领域的研究热点。本文基于本课题组前期所开发的气压驱动装置,利用其所具有的易于制造和集成优势,设计了四种可调超材料结构。它们均是通过将不同设计的超材料结构和气压驱动装置集成在一起,以实现不同的吸收调制能力。其中,具体的可调超材料结构组成如下:(1)具有特定图案的金属结构,其布置在气压驱动装置的悬浮膜表面;(2)气压驱动腔,其通过悬浮膜进行密封进而实现气压驱动;(3)连续金属层,其位于气压驱动腔底部。在调制过程中,通过控制气压驱动腔内的压强使悬浮膜产生相应的形变,以此改变膜上金属结构的几何参数,进而实现对整个超材料结构吸收特性的调制。本文使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,通过对所设计的不同结构的可调太赫兹超材料吸收器的机械和电磁特性进行了固体力学和电磁场仿真,验证这些超材料吸收器的可调性。此外,本文还通过研究不同气压驱动状态下,超材料结构在各个谐振吸收频率处的电场强度分布,据此对可调太赫兹超材料吸收器的吸收原理和调制机理进行了分析。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;O441.4
【部分图文】：

示意图,矩形条,仿真结构,示意图

2 可调太赫兹超材料吸波器理论分析电路模型与参数计算方便的用等效电路模型来解释超材料吸收器的工作机理，参考其它将利用矩形条超材料吸收器结构来解释其中的电磁谐振现象[63]。对尺寸不同的各种超材料结构，等效电路模型对其工作原理的定性解至能够定量计算相关参数。本文所用到的矩形条吸收结构的模型如的上下两侧是空气层，上下方空气层的厚度分别是入射距离和接收为三层，图中最上层为金属阵列，由矩形金属条按照周期性排列。电导率为零，介电常数的虚部为负数，对入射的电磁波进行吸收。层，通常与顶层金属条使用相同金属材料和厚度。电磁波垂直于结方向沿矩形条长轴方向。

等效电路图,矩形条,表面电流,电场分布

可以看成是无线宽的导线，所以其电容和电感可以忽略不计。因此，矩形条吸收结构的等效电路模型如图2-2(b)所示，该电路的谐振频率也就是吸收器的吸收峰所在的频率，具体的计算公式为： = ( )。图 2-2(a):矩形条表面电流和电场分布，(b):矩形条的等效电路图2.2 完美吸收器阻抗匹配理论阻抗匹配是指在信号传输过程中，负载阻抗和信号源内阻抗满足匹配关系。最初来源于电路理论，在直流电路中，当负载电阻很大或很小时，电路相当于开路和短路，只有当负载电阻等于激励源内阻时，电路的输出功率才达到最大；在交流电路中，不

示意图,调制方式,示意图,调控方式

华中科技大学硕士学位论文2.4 本文中超材料的调控方式本文所用到的对超材料进行调控的方法是气动调制，根据超材料吸收器的典型结构来合理的设计适合该调制方法的超材料结构。通过改变气压使介质层受力并发生形变，进而改变超材料的结构和几何参数，实现对整体结构的电磁特性的调制，具体的结构设计如图 2-3 所示。

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