電磁超材料在微波吸波體與天線中的應(yīng)用研究.pdf

1、電磁超材料(Metamaterials)是一種人工媒質(zhì),其結(jié)構(gòu)尺寸小于外界激勵(lì)電磁波的波長,擁有自然媒質(zhì)所不具備的電磁特性。常規(guī)材料的電磁特性由組成該材料的原子和分子的屬性所決定,而超材料使我們能夠設(shè)計(jì)出我們想要的“原子”,一個(gè)著名的例子是眾所周知的微波“隱形斗篷”,它獲得這種奇異電磁特性來源于超材料所用的結(jié)構(gòu),而不是設(shè)計(jì)超材料所用材料的內(nèi)在成分。由于它有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值,例如在天線、微波電路、吸波體等領(lǐng)域,早已引起了科學(xué)界的極大關(guān)注

2、。本文圍繞超材料在吸波體和天線的應(yīng)用方面展開研究,主要研究內(nèi)容概括為如下幾點(diǎn):
　　1.設(shè)計(jì)和研究了兩款超材料。第一款是單面風(fēng)車型超材料,這類單面型結(jié)構(gòu)具有制造簡單、方便集成集總組件在結(jié)構(gòu)表面來控制其左右手特性的優(yōu)點(diǎn)。首先,從數(shù)值仿真出發(fā),分別對(duì)該結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)、磁導(dǎo)率以及折射率進(jìn)行參數(shù)提取。接著從左手頻段和右手頻段內(nèi)分別取一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行棱鏡實(shí)驗(yàn)仿真,直觀地顯示負(fù)折射和正折射現(xiàn)象。同時(shí)還研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)與電諧振和磁諧振頻點(diǎn)之間的關(guān)

3、系。最后,用等效電路模型對(duì)其進(jìn)行理論分析,得到等效磁導(dǎo)率的解析公式,并用該公式詳細(xì)地解釋結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與磁諧振頻率間的關(guān)系。所設(shè)計(jì)的單面風(fēng)車型超材料左手帶寬較小,才500 MHz,為了拓展帶寬,設(shè)計(jì)了一款雙面超材料。經(jīng)過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn),其左手帶寬有大幅度的提高。
　　2.設(shè)計(jì)和研究了一種雙頻、極化不敏感、寬角度的單層超材料吸波體。首先,分別用TE波和TM波研究該吸波體對(duì)入射角度的敏感性,并闡述當(dāng)入射波的入射角度很大時(shí)吸收

4、峰發(fā)生偏移的原因。隨后,對(duì)該吸波體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論研究。分別對(duì)吸收頻點(diǎn)處的表面電流、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況進(jìn)行分析,研究其吸波機(jī)理。最后,分別從金屬的歐姆損耗和介質(zhì)板的介質(zhì)損耗兩方面對(duì)這種吸波體進(jìn)行損耗研究和討論。這種吸波體的特點(diǎn)是:不管是TE波還是TM波,該吸波體都有很大的吸收角度。
　　3.設(shè)計(jì)和研究了一款超薄、寬帶、由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超材料吸波體。首先,對(duì)最上面的匹配層做了深入的研究,得到匹配層厚度與吸收率間的關(guān)系。接著

5、,用理論詳細(xì)地分析了吸波體的厚度與高頻段的兩個(gè)吸收峰成反比關(guān)系的原因。同時(shí),對(duì)該吸波體的極化穩(wěn)定性情況進(jìn)行了研究,分別得到TE波和TM波入射情況下,該吸波體對(duì)電磁波吸收率跟入射角度以及頻率間的關(guān)系圖,并對(duì)圖進(jìn)行了分析。在吸波原理的研究上,分別采用反射相消原理和諧振吸收原理對(duì)吸收曲線進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在三個(gè)孤立的吸收峰的形成來源于諧振吸收,吸收譜線中間寬頻帶的形成是由電磁波的反射相消導(dǎo)致。
　　4.設(shè)計(jì)和研究了兩款超材料加載的小型

6、化天線。從超材料單元研究出發(fā),分別設(shè)計(jì)和研究了單環(huán)超材料和雙環(huán)超材料結(jié)構(gòu),深入地研究了單環(huán)超材料的等效介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率跟結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系。將所設(shè)計(jì)的單環(huán)超材料加載在天線的上端來降低天線的諧振頻率,并用理論解釋了天線諧振頻率降低以及出現(xiàn)一個(gè)新諧振頻點(diǎn)的原因。同時(shí),還對(duì)天線諧振頻率與單環(huán)超材料的等效折射率之間的關(guān)系進(jìn)行了深入地研究,分析了天線的諧振頻率與超材料折射率實(shí)部絕對(duì)值之間的關(guān)系。為使天線的諧振頻率進(jìn)一步地降低,最后設(shè)計(jì)了一款