基于負(fù)折射率媒質(zhì)的吸波材料設(shè)計與電磁特性研究.pdf

1、負(fù)折射率媒質(zhì)(Negative Refractive Index Materials)是指同時具有負(fù)介電常數(shù)(ε＜0)和負(fù)磁導(dǎo)率(μ＜0)的人工合成材料，因其具有獨(dú)特的電磁特性如負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)(Reversals ofDoppler Shift)、逆契侖可夫輻射(Reversals of CherenkovRadiation)以及放大倏逝波(Enhancement of Evanescent Wave)等而受到廣泛的關(guān)注。各種

2、結(jié)構(gòu)負(fù)折射率媒質(zhì)的制備以及其在微波工程、軍事雷達(dá)隱身、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用是近幾年的研究熱點(diǎn)。本學(xué)位論文基于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“可控調(diào)諧型負(fù)折射率微波材料的合成方法及特性研究”的研究目標(biāo)，對亞鐵磁材料YIG-金屬線陣列結(jié)構(gòu)負(fù)折射率媒質(zhì)的研制、電磁特性、吸波應(yīng)用等進(jìn)行了深入的研究，主要研究工作以及取得的創(chuàng)新性成果如下：
　　 一.理論分析、電磁仿真、物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合地研究了亞鐵磁材料YIG-金屬線陣列結(jié)構(gòu)負(fù)折射率媒質(zhì)中兩種媒質(zhì)的相

3、互作用關(guān)系，分析得出了有效媒質(zhì)參數(shù)的理論表達(dá)式，提出了改進(jìn)型YIG-PCB結(jié)構(gòu)負(fù)折射率媒質(zhì)的設(shè)計與制作方法，加工出了改進(jìn)型負(fù)折射率媒質(zhì)樣品。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示該負(fù)折射率媒質(zhì)在9 GHz有一明顯的傳輸通帶，其3 dB帶寬為0.5 GHz。且該傳輸通帶可隨外加直流控制磁場的改變而改變，當(dāng)外加直流磁場由2300 Oe增加到2700 Oe時，其傳輸通帶中心頻點(diǎn)由8.42 GHz增加到9.50 GHz，可調(diào)諧率約為2.7 MHz/Oe。當(dāng)外加磁場為

4、2300Oe時，測試得出該負(fù)折射率媒質(zhì)在8.3 GHz的折射角約為-32°，結(jié)果證實(shí)了該負(fù)折射率媒質(zhì)設(shè)計方法的有效性。
　　 二.理論分析和電磁仿真相結(jié)合地研究了等效磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時為-1時的亞鐵磁材料YIG-金屬線陣列結(jié)構(gòu)負(fù)折射率媒質(zhì)中的電磁波傳播特性，分析了該種負(fù)折射率媒質(zhì)中的隧道效應(yīng)，探討了其在微波器件中的應(yīng)用。結(jié)果顯示：在μ=ε=-1的負(fù)折射率媒質(zhì)中可明顯觀測到隧道效應(yīng)。另外，由此設(shè)計出的負(fù)折射率媒質(zhì)濾波器在9.55

5、 GHz-10.60 GHz頻段內(nèi)以很小的衰減(4 dB)傳輸電磁波，帶外衰減達(dá)到30 dB；設(shè)計出的線性相移器在整個傳輸同帶內(nèi)的最大擺幅為10％。分析結(jié)果證實(shí)了負(fù)折射率媒質(zhì)可廣泛應(yīng)用于微波毫米波工程領(lǐng)域。
　　 三.理論分析和電磁仿真相結(jié)合地研究了一種基于亞鐵磁材料YIG-金屬線陣列結(jié)構(gòu)的三通帶電磁超材料以及一種物理可實(shí)現(xiàn)的THz頻段負(fù)折射率媒質(zhì)。提出了該兩種媒質(zhì)的設(shè)計方法并電磁仿真了其電磁波傳輸、反射和折射特性。仿真結(jié)果顯示

6、，三通帶電磁超材料在7.1 GHz、10.9 GHz、15.5 GHz分別具有一個傳輸通帶，且在相應(yīng)的頻帶內(nèi)其具有正-負(fù)-正的折射特性；而THz頻帶負(fù)折射率媒質(zhì)在0.145 THz附近具有一帶寬為8 GHz的傳輸通帶。
　　 四.理論分析和電磁仿真相結(jié)合地研究了基于負(fù)折射率媒質(zhì)的寬頻帶微波吸波材料，分析了負(fù)折射率媒質(zhì)與入射電磁波的相互作用關(guān)系，提出了以絕緣型亞鐵磁材料YIG為基體，內(nèi)嵌一維金屬線陣列結(jié)構(gòu)以構(gòu)造出可調(diào)諧、寬頻帶、高