新型超材料功能器件設(shè)計與應(yīng)用研究.pdf

1、設(shè)計開發(fā)新型超材料功能器件以及研究超材料對傳統(tǒng)微波器件的改進(jìn)作用已成為目前國際上最前沿的科學(xué)熱點,本文以超材料為背景,研究內(nèi)容包括:超材料吸波體,用于太赫茲檢測領(lǐng)域的分形開口環(huán)諧振器,由諧振型復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)建的耦合線型耦合器。主要工作有以下四個方面:
　　1、提出了兩種分別以科赫(Koch)、謝爾賓斯基(Sierpinski)分形曲線為諧振單元的新型超材料吸波體(metamaterial absorber, MA),實現(xiàn)了雙頻

2、吸收、單元尺寸小型化、極化不敏感和吸收性能受入射角影響小的優(yōu)異性能。本文中設(shè)計的分形MA與基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的MA相比存在三個較為顯著的優(yōu)勢:一、與傳統(tǒng)MA實現(xiàn)雙頻吸收所采用的組合法和層疊法不同,分形MA的雙頻特性來源于自身結(jié)構(gòu)的自相似性,其諧振陣列結(jié)構(gòu)中的所有單元都具有相同的形狀、相同的尺寸且都處于同一平面上,所以克服了組合法中存在的單元尺寸較大、層疊法中存在的吸波體厚度增大等缺點。二、源于分形結(jié)構(gòu)的空間填充性,在相同吸收頻率下分形MA相比

3、傳統(tǒng)MA具有更小的單元尺寸。三、在相同單元尺寸下,分形MA的第二吸收頻率比傳統(tǒng)MA的吸收頻率要高,利用這個特點可以突破傳統(tǒng)MA的吸收頻率上限,在相同加工精度下制造出吸收頻率更高的光波段MA。文中分別采用等效介質(zhì)理論和干涉理論對分形MA進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并設(shè)計了兩種分別工作于微波、太赫茲頻段的Sierpinski分形MA,發(fā)現(xiàn)這兩種頻段下的分形MA在吸收性能和單元尺寸壓縮能力方面具有較好的一致性,驗證了 MA是一種具有縮比性的諧振結(jié)構(gòu)。<

4、br>　　2、提出了一種以非頻變結(jié)構(gòu)(frequency independent structure, FIS)—四臂阿基米德螺旋為諧振單元的MA。FIS是一種具有與分形自相似性性質(zhì)類似的結(jié)構(gòu),由于不具備分形的空間填充性,其在單元尺寸小型化方面沒有優(yōu)勢,但仍能實現(xiàn)與分形 MA類似的三頻吸收、極化不敏感和吸收性能受入射角度影響小的優(yōu)異性能。提出并分析了MA諧振陣列的填充率問題,發(fā)現(xiàn)在以吸波體厚度增大為代價下,填充率僅為25％的稀疏陣列結(jié)構(gòu)

5、仍然可以獲得與全填充陣列相似的吸收性能。這種多頻單元+稀疏陣列的結(jié)構(gòu)最大優(yōu)勢在于通過在未填充區(qū)域填充以調(diào)諧單元,可以進(jìn)一步增加多頻MA的吸收頻段或拓展已有吸收頻帶的寬度。通過采用這種方法,在本文中分別設(shè)計了一種具有七個吸收峰的 MA和一種能同時在三個頻段展寬吸收頻帶的MA。
　　3、分析了開口環(huán)諧振器(split-ring resonator, SRR)用于太赫茲檢測的靈敏度問題,發(fā)現(xiàn)TE極化下源于LC共振的諧振頻率與TM極化下源

6、于偶極子共振的諧振頻率相比,在檢測靈敏度方面并無優(yōu)勢。在被測物厚度和介電常數(shù)的影響下,這兩種諧振頻率具有相似的變化趨勢,而真正影響靈敏度高低的是檢測頻率:檢測頻率越高,其受被測物影響所產(chǎn)生的頻率偏移量就越大,靈敏度也就越高。將Sierpinski分形曲線應(yīng)用于傳統(tǒng)SRR結(jié)構(gòu)中,在TM極化下,分形結(jié)構(gòu)的高次諧振頻率在相同單元尺寸下比傳統(tǒng)SRR結(jié)構(gòu)的諧振頻率要高,在本文中利用這個特點,發(fā)現(xiàn)在相同被測物影響下,一階 Sierpinski分形

7、SRR第二諧振頻率處的檢測靈敏度最大。
　　4、設(shè)計分析了一種以諧振型復(fù)合左右手傳輸線(composite right-/left-handed transmission line, CRLH TL)為耦合線的耦合器結(jié)構(gòu)。CRLH結(jié)構(gòu)的特點是同時具有左手傳輸頻段和右手傳輸頻段,并且在兩者之間存在一個β=0、α>0的傳輸禁帶。與傳統(tǒng)耦合線型耦合器的耦合度與βl相關(guān)的工作原理不同,CRLH耦合器的耦合度由αl決定,可由公式證明,當(dāng)αl

8、足夠大時,CRLH耦合器的耦合度可以達(dá)到0 dB,實現(xiàn)全耦合。諧振型CRLH耦合器的設(shè)計過程共分三個步驟:首先提取CRLH單元結(jié)構(gòu)的等效電路參數(shù)用以分析 CRLH結(jié)構(gòu)的內(nèi)在物理機(jī)制,然后分析了“平衡態(tài)”CRLH TL的實現(xiàn)方法,最后以此構(gòu)建了CRLH耦合器結(jié)構(gòu)。該型耦合器在1.96 GHz處取得最大耦合度Cmax=0.52 dB,3 dB耦合帶寬約為25.8％。通過調(diào)整CRLH TL的結(jié)構(gòu)參數(shù),在本文中還設(shè)計實現(xiàn)了一種3 dB CRLH