电磁超材料低散射特性研究

发布时间：2017-04-14 12:12

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【摘要】：电磁超材料由于其独特的电磁响应特性受到了越来越多的关注,传统材料的性质通常由组成它们的原子或分子决定,而电磁超材料允许设计者构造特定的“原子”或“分子”,以此来得到新的效应,例如近完美吸收和超分辨成像等。目前,基于这些新效应,电磁超材料正朝着实用化方向迅速发展,例如利用高吸收来设计和实现高效电磁隐身。本文围绕电磁超材料结构降低目标散射展开了系统研究。主要包括以下三个方面:利用超材料结构对电磁波的吸收调制来达到控制目标散射;利用结构控制电磁波的传播以实现绕射来降低目标散射;利用结构对电磁波进行极化调制,使入射电磁波转化为所需极化状态被完美吸收。此外,针对金属平板的散射截面进行了理论计算,为后续的超材料结构层的散射计算奠定基础。论文的主要研究内容有以下几点:1、利用超材料近完美吸收效应,实现了一类集频率、幅度同时可调谐的电磁超材料吸收结构。利用变容二极管的电容值随偏置电压而改变的特性,将其加载在吸收结构中,改变结构的感抗,从而实现谐振频率的调控;结合PIN二极管电阻随偏置电流改变的特性,调节结构的阻抗,从而实现吸收幅度的调控。利用传输线理论以及等效电路理论从原理上解释了其可调特性。实测结果与理论计算结果、三维仿真计算结果相符,证明了结构的调频/调幅特性。在此基础上,根据英国谢菲尔德大学的B.Chambers在1999年提出的智能吸波的设想概念,实现了一类可自动跟踪入射波频率智能化吸收系统。2、利用柱面波展开理论,设计了一种后向散射缩减结构,先用该理论计算散射缩减结构所需最优的电磁参数,然后根据电磁参数反演理论选择合适的电磁超材料结构来等效所需电磁参数,最后全模仿真证明了在一定带宽内,所设计的超材料结构具有后向RCS缩减功能。3、利用超材料的极化选择性调控,结合PIN二极管的开关作用,实现了电控的反射极化转换。改变结构的等效阻抗,也就改变了反射电磁波的相位差,当相位差达到特定数值时,反射波极化状态也就发生改变。仿真和实验验证了结构的宽带圆极化转换效果,在此基础上,设计了双层结构用来实现极化转换开关,通过PIN二极管的通断,得到了在四种极化(线极化,左旋圆极化,右旋圆极化,交叉线极化)之间进行任意转换的效果。4、利用几何衍射理论及其一致性形式,从理论上来计算最简单材料-金属导体平板的散射回波,理论计算和实验结果的一致性表明了该计算方法在散射计算中的有效性。
【关键词】：电磁超材料 散射缩减 可调吸波 极化转换 一致衍射理论
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-13
• 1 绪论13-35
• 1.1 选题背景及意义13-14
• 1.2 基本概念14-17
• 1.2.1 电磁超材料14-16
• 1.2.2 电磁超材料的局限性16
• 1.2.3 雷达散射截面16-17
• 1.3 文献综述17-33
• 1.3.1 变换光学理论与电磁波的绕射17-21
• 1.3.2 电磁超材料的吸收特性21-27
• 1.3.3 电磁超材料极化调制特性27-31
• 1.3.4 电磁超材料参数测试技术31-33
• 1.4 研究目标及基本思路33
• 1.5 研究内容及论文结构33-35
• 2 电磁超材料研究理论方法35-45
• 2.1 引言35
• 2.2 电磁超材料的研究方法35-44
• 2.2.1 数值计算方法35-36
• 2.2.2 等效介质理论36-38
• 2.2.3 等效电路模型38-41
• 2.2.4 多层结构传输矩阵法41-44
• 2.3 本章小结44-45
• 3 电磁超材料对电磁波吸收调控研究45-69
• 3.1 引言45
• 3.2 可控电磁超材料的电磁响应分析45-51
• 3.2.1 理想可控散射体单元结构设计模型45-46
• 3.2.2 可控散射体单元结构仿真计算46-48
• 3.2.3 单元结构电磁耦合分析48-51
• 3.3 可控散射体的制备51-55
• 3.4 可控散射体的测试平台搭建55-58
• 3.4.1 测试平台方案55-56
• 3.4.2 测试平台搭建56-58
• 3.5 可控散射体的测试和实验验证58-60
• 3.5.1 测试方法58
• 3.5.2 试验测试结果58-60
• 3.6 智能调控系统的设计60-68
• 3.7 本章小结68-69
• 4 基于柱面波展开理论的后向散射缩减69-86
• 4.1 引言69
• 4.2 柱面波散射理论及后向散射缩减69-76
• 4.2.1 柱面波散射理论69-73
• 4.2.2 高功率条件下电磁波绕射优化设计73-76
• 4.3 CST超材料单元结构材料参数提取及设计76-80
• 4.3.1 电磁参数的反演76-77
• 4.3.2 TM极化超材料单元结构设计77-80
• 4.4 超材料单元结构阵列的制备80-82
• 4.5 CST多层圆柱模型集成设计82-85
• 4.5.1 电磁超材料整体模型设计82
• 4.5.2 TM极化下整体模型仿真结果图82-85
• 4.6 本章小结85-86
• 5 电磁波极化调控及平板RCS计算86-97
• 5.1 引言86-87
• 5.2 电磁波极化动态调制87-93
• 5.2.1 电磁波极化动态调制原理87-89
• 5.2.2 理论和实验结果验证89-91
• 5.2.3 极化开关器设计91-93
• 5.3 金属平板RCS计算93-96
• 5.4 本章小结96-97
• 6 总结与展望97-99
• 6.1 主要创新点和结论97-98
• 6.2 展望98-99
• 参考文献99-110
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果11

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