基于近零磁导率和人工表面等离激元的电磁吸波结构研究

发布时间：2020-08-21 06:45

【摘要】：人工电磁材料是指将人工设计远小于其工作波长的单元结构周期排布组合而成的人工复合结构性材料。这种材料可以通过人工设计实现自然材料所不具备的超常电磁特性。近年来,学者们基于人工电磁材料在电磁波传播特性调控领域开展了广泛的研究。其中,基于人工电磁材料电磁吸波结构的研究尤其成为其中热点。基于人工电磁材料设计的多种类型的电磁吸波结构不断涌现,相对于传统的吸波结构,基于人工电磁材料设计实现的吸波结构更加轻薄,吸波带宽和性能也具有很大的优势。本文主要基于人工电磁材料设计了两种吸波材料:首先,本文基于近零磁导率实现了在P波段的吸波频段可切换的电磁吸波结构的设计。目前基于人工电磁材料设计的吸波结构大部分工作在微波的较高频段,可对于工作在P波段的吸波结构的研究相对较少。基于近零磁导率可以在厚度超薄的情况下实现对电磁波有效的吸收,本文利用这一特性设计了一种双面覆有金属“回”形结构的介质单元结构,对0.69 GHz附近频段的电磁波的产生有效的吸收。随后又通过在金属“回”形结构上加载PIN管,控制PIN管的馈电电压,可以控制PIN管的通断,从而控制有效金属“回”形结构的长度,实现吸波峰在0.69 GHz和0.80 GHz的可切换。通过正交摆放单极化结构的方式,实现了双极化有效吸波的功能。本文还研究了拓宽基于近零磁导率设计的吸波结构的吸波带宽的方法,主要是将不同长度的金属“回”形结构进行复合,从而引入了多谐振,实现相近吸波峰的叠加,拓宽了结构的吸波带宽。仿真和实验均验证了通过不同长度金属“回”形结构的复合可实现吸波带宽的拓宽。其次,本文基于人工表面等离激元设计了三种宽带吸波材料。人工表面等离激元具有高束缚性,在截止频率可以激发出一种慢波模式,从而实现对入射电磁波的吸收。利用这一吸波原理,首先我们设计了一种十字矩形金属-介质叠合结构,通过与铁磁性材料相复合,在1-9.7 GHz的全波段实现了90%以上的吸波率。随后,本文设计了一种十字形覆有栅形渐变金属条介质结构。将大小不同的十字覆有栅形渐变金属条介质结构进行组合,实现了更为宽带的吸波,验证了基于人工表面等离激元设计的吸波材料可以通过将大小不同的单元结构相复合成新的单元结构,进一步拓宽吸波带宽。本文还探究了一种类金字塔形状的金属-介质叠合结构,不同大小的类金字塔形状的金属-介质叠合结构相复合组成单元结构,实现了在6-20 GHz 90%以上的吸波率。最后,本文在复合类金字塔单元结构的设计中,引入矩形环槽的设计,实现了吸透一体的功能。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441;TB34
【图文】：

负折射率,分界面,材料,情况

工作波长的单元结构周期排布组合而成的人工复合结构性材料，这种材料可以通逡逑过人工设计实现自然材料所不具备的超常电磁特性。逡逑在自然界中，如图１．１所示，电磁波在不同介质的交界面传播时，入射电磁逡逑波和折射电磁波会分布在法线的两侧。而假如下半空间的媒质是由人工电磁材料逡逑构成的，现象可能大为不同一一入射电磁波和折射电磁波可能位于法线的同侧，逡逑此时这种材料表现出了自然界中不存在的负折射现象。我们将这种材料称为左手逡逑材料或负折射率材料［３１。人工电磁材料的研究起源于对左手材料的研究。逡逑＾逦法线逡逑／＼逡逑负折射电磁波＼折射电磁波逡逑图１．１电磁波在普通材料和负折射率材料分界面上发生折射情况逡逑在电磁波的研究领域，我们－般用磁导率＂和介电常数ｆ表征材料的电磁特逡逑性。以相对介电常数为横坐标轴，相对磁导率为纵坐标轴，如图１．２所示，可以逡逑将物质按照不同的电磁特性分为四个象限［２｜。在自然界中，大部分材料的相对磁逡逑导率和介电系数的值通常大于或等于１，位于坐标轴的第一象限的；在特定的情逡逑况下，也存在少数的电等离子体和磁等离子体表现出的介电常数和磁导率分别位逡逑于坐标轴的第二象限和第四象限，即磁导率和介电常数一正一负；但介电常数和逡逑磁导率同时为负的材料在自然界中暂未发现。逡逑１９６９年

电磁特性,象限,相对磁导率,纵坐标轴

直到１９９６年，英国科学家Ｐｅｎｄｒｙ教授先后分别提出了周期排列的金属线结逡逑构［１４１和开口金属环结构［１５１，分别具有负的等效介电常数和负的等效磁导率。周期逡逑排列的金属线结构如图１．３（ａ）所示；开口金属环结构如图１．３（ｂ）所示。２０００年，逡逑美国科学家Ｄ．Ｒ．ＳｍｉｔｈｌＷ等人在Ｐｅｎｄｉｙ等人的研究基础上，巧妙的将周期排列金逡逑属线和开口金属环进行复合设计，实现ｒ等效磁导率和等效介电常数同时为负的逡逑人工复合型材料，首次在实验上验证了邋Ｖｅｓｅｌａｇｏ的理论分析，实现了左手材料的逡逑设计。其设计的结构如图１．３（ｃ）所示，实验和仿真结果如图１．３（ｄ）所示。逡逑Ｐｅｎｄｒｙ和Ｄ．Ｒ．Ｓｎｕｔｈ等人设计的人工复合型材料主要是利用单元结构来模拟逡逑天然材料中组成物质的原子或者分子，然后将单元结构按照一定的方式进行排列逡逑构成整体，使其具有奇异的等效电磁特性。这种基于等效媒质理论的设计方法要逡逑求单元结构的尺寸远小于材料工作频率的波长，这样才能满足等效媒质理论的近逡逑２逡逑

效果图,吸波结构,吸波,材料

可以实现对电磁波的有效调控。手性人工电磁材料［１８＿２３间以对电逡逑磁波的极化状态进行调控等；近零超材料｜２４—８］具有电磁随穿、超耦合等电磁现象，逡逑也可以用于对入射电磁波的有效吸收，如图１．４所示；可调的人工电磁材料［２？３４］逡逑通过引入了其他可控电子器件等，使其具备可调节的功能，实现多场景的应用。逡逑近年来，有关数字超材料１４１４３１的研究也取得了很大的突破，Ｎａｄｅｒ邋Ｅｎｇｈｅｔａ和逡逑Ｃｒｉｓｔｉａｎ邋Ｄｅｌｌａ邋Ｇｉｏｖａｍｐａｏｌａ等提出了通过创建超材料数位１４１］，将超材料数位进行逡逑一定的排列，组合成超材料数字字节，如同计算机领域的“１”和“０”，不同字逡逑节有不同功能，最终构成具有奇特性质的复杂超材料，如图１．５所示。逡逑随着科学家对人工电磁材料不断深入的研宄，人工电磁材料在光学、通信学、逡逑电磁隐身等领域都有很大的应用，美国《科学》杂志曾两度将其评为十大重要科逡逑学进展之一

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