調(diào)控電磁特性超材料設(shè)計及其性能研究.pdf

1、新型超材料設(shè)計，探索其單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)特性，完善其理論計算體系和分析方法，推進其在隱身材料、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有重要的意義。本論文正是基于這些研究熱點，為實現(xiàn)完美電磁損耗、傳輸以及極化轉(zhuǎn)換等電磁特性調(diào)控，提出了一系列超材料基本單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。采用數(shù)值模擬、實驗驗證以及理論分析，研究超材料單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)特性，探索單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部機制。主要工作及創(chuàng)新成果如下:
　　1．基于十字型結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出單頻帶、雙頻帶以及寬頻帶超材料吸波體

2、。首先、設(shè)計了十字型結(jié)構(gòu)完美超材料吸波體，通過仿真和實驗進行了驗證?；谥C振電路理論，通過仿真進一步研究了十字型吸波體諧振吸收頻率對其幾何參數(shù)的依賴關(guān)系。其次、設(shè)計了十字型結(jié)構(gòu)單層共平面雙頻段、四頻段以及多頻段完美超材料吸波體并提出對應(yīng)的等效電路模型，通過仿真進行了理論分析和驗證。最后、基于多重諧振疊加原理設(shè)計了十字型多層結(jié)構(gòu)吸波體并通過仿真和實驗進行了驗證，設(shè)計的四十層十字型結(jié)構(gòu)吸波體，吸收率大于80％的相對帶寬達到了63.3%。

3、r>　　2．基于集總元件的超材料吸波體寬頻化設(shè)計。在傳統(tǒng)的超材料單元結(jié)構(gòu)中加載集總元件能夠有效地改善電磁諧振特性與阻抗匹配特性，增強電磁損耗，展寬吸收頻帶?；谶@一思想提出了兩種不同諧振器加載集總元件的寬頻帶超材料吸波體。分別建立了對應(yīng)的等效電路模型，利用反演法提取等效電磁參數(shù)和單元結(jié)構(gòu)表面電流分布解釋其吸收機理，通過單元結(jié)構(gòu)能量損耗分布特點分析其吸收特性，最后通過實驗進行了驗證。設(shè)計的集總元件加載的U型結(jié)構(gòu)吸波體吸收率大于90%的相對

4、帶寬達到81%。設(shè)計的集總元件加載的四重開縫環(huán)復合結(jié)構(gòu)吸波體在2-6GHz范圍內(nèi)吸收率大于90%的相對帶寬達到50%。
　　3．巨圓二色性、巨旋光性、超透性與負折射率手征超材料設(shè)計。首先，設(shè)計了一種基于四重90°交錯開縫環(huán)對結(jié)構(gòu)的平面手征超材料，實驗測試得到的圓二色系數(shù)在諧振頻點達到0.58，同時該結(jié)構(gòu)還具有負折射特性。其次，基于Babinet原理設(shè)計了互補U型結(jié)構(gòu)組合雙層平面手征超材料，實驗測試得到的極化旋轉(zhuǎn)角達到83，旋光效應(yīng)

5、得到了有效的增強，同時表現(xiàn)出雙頻帶負折射特性。進一步降低該手征超材料單元結(jié)構(gòu)尺度，其在紅外頻段同樣表現(xiàn)出巨旋光效應(yīng)和負折射特性。最后，設(shè)計了超薄雙層互補共軛結(jié)構(gòu)手征超材料，并進行了仿真分析實驗驗證。該手征超材料不僅表現(xiàn)出巨旋光效應(yīng)和負折射特性，同時還具有超強透射特性，透射系數(shù)達到0.87。還研究了傳輸系數(shù)、旋光效應(yīng)以及負折射特性對手征結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的依賴關(guān)系。
　　4．基于不對稱結(jié)構(gòu)平面手征超材料極化轉(zhuǎn)換器設(shè)計。首先，設(shè)計了一種基于

6、不對稱的圓形雙開縫環(huán)諧振器（Double Split Ring Resonator，DSRR）結(jié)構(gòu)手征超材料完美雙頻帶圓極化轉(zhuǎn)換器。設(shè)計的結(jié)構(gòu)在諧振頻點能將入射的線極化波分別轉(zhuǎn)換為左旋圓和右旋圓極化波，圓極化抑制比絕對值均超過30dB，并通過實驗進行了驗證。進一步降低單元結(jié)構(gòu)尺度，其在太赫茲頻段同樣表現(xiàn)出完美的雙頻帶圓極化轉(zhuǎn)換特性。然后，設(shè)計了基于雙層90°旋轉(zhuǎn)方形DSRR結(jié)構(gòu)手征超材料雙頻帶圓極化和單頻帶線極化轉(zhuǎn)換器，在諧振頻點能將入

7、射的線極化波分別轉(zhuǎn)換為左旋圓和右旋圓極化波以及交叉的線極化波。最后、設(shè)計了一種基于三層交錯圓形 DSRR結(jié)構(gòu)手征超材料的寬頻帶線極化轉(zhuǎn)換（偏轉(zhuǎn)）器，通過仿真和實驗進行了驗證。其工作帶寬得到了顯著的展寬，實驗得到的極化轉(zhuǎn)換率在5.5–11.1 GHz范圍內(nèi)超過90%，其對應(yīng)的相對帶寬達到67.5%。
　　調(diào)控電磁損耗特性超材料吸波體研究為新型吸波材料寬頻化設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)，并為高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)吸波材料的設(shè)計與實現(xiàn)開辟了一條新的路徑。