寬帶極化轉換與紅外-雷達兼容隱身超材料的研究.pdf

1、控制電磁波的極化狀態(tài)與選擇性吸收和反射，在成像、天線、通訊系統(tǒng)、電磁污染治理以及軍事隱身（紅外/雷達兼容隱身）等領域均有許多重要的應用。新型人工電磁超材料的出現(xiàn)為上述功能的實現(xiàn)與優(yōu)化提供了全新的思路。本學位論文針對如上研究領域開展以下兩方面的研究工作：
　　首先，針對目前超材料極化轉換器電場振幅的調(diào)控范圍有限、調(diào)控頻段窄的缺點，通過在超材料表面與金屬背板間引入Fabry-Perot空腔共振設計制備了基于非對稱單開口環(huán)（as-SRR

2、）單元的超材料極化轉換器，實現(xiàn)了大幅、無色差電場振幅調(diào)控和寬帶、高效的90°線極化轉換。該超材料極化轉換器在10-17.6GHz范圍內(nèi)，交叉極化電場強度大于0.8，而平行極化電場強度小于0.09，極化轉換率PCR>0.9。其中，在9.8-12.5GHz和16-17.3GHz頻段內(nèi)PCR>0.98，明顯優(yōu)于文獻結果。系統(tǒng)研究了as-SRR的不對稱度Δ、介質(zhì)損耗tanδe對平行極化和交叉極化電場強度以及PCR隨頻率變化的影響規(guī)律。結果表明，

3、隨著Δ的增加，平行極化電場逐漸轉化為交叉極化；當?最大時，實現(xiàn)了交叉極化的最大化和平行極化的最小化。介質(zhì)損耗tanδe的增加不影響平行極化強度(<0.09)，而僅降低交叉極化強度和PCR。Fabry-Perot空腔共振模型說明了寬帶、高效線極化轉換來源于as-SRR不對稱結構的寬帶極化響應和多重極化耦合過程以及低介質(zhì)損耗。上述材料的振幅調(diào)控特性為人們提供了一種新的方式去設計其他電磁調(diào)制器件。
　　其次，基于雷達波亞波長全金屬超材料

4、吸波體的尺寸遠大于紅外波長而對紅外波反射，可能實現(xiàn)紅外/雷達兼容隱身的新思路，設計并制備了一種多級金屬凹槽(MMG)吸波超材料，實現(xiàn)了紅外波與多頻點雷達波兼容的完美隱身。系統(tǒng)研究了凹槽高度h、凹槽間隙g對雷達波吸收與紅外反射性能的影響規(guī)律。結果表明，隨著 h的增加，吸收峰向低頻移動；當h=9.5mm時，MMG超材料在8-20GHz范圍內(nèi)出現(xiàn)了6個≤-20dB的反射損耗峰。h與共振頻率(f)r之間存在的線性關系表明其吸收機理為凹槽內(nèi)的駐波

5、共振在金屬表面產(chǎn)生歐姆損耗從而被完美吸收。凹槽間隙g<0.1mm時，不同高度凹槽之間的相互作用使得吸收峰融合。當h=24.5mm，g=0.05mm時，MMG超材料在3.26-3.81GHz(ΔB=0.55 GHz)頻段內(nèi)的吸收深度均大于-10dB。MMG結構尺寸遠大于紅外波長，對紅外波表現(xiàn)出不依賴于h和g的金屬反射特性。對h=9.5mm，g=0.5mm的MMG超材料進行紅外反射率測試表明，其在8-14μm范圍均大于95％(對應發(fā)射率≤0