調(diào)控電磁特性超材料設(shè)計(jì)及其性能研究.pdf

1、新型超材料設(shè)計(jì)，探索其單元結(jié)構(gòu)電磁響應(yīng)特性，完善其理論計(jì)算體系和分析方法，推進(jìn)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(diǎn)，為實(shí)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(jì)方案。采用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)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(jì)了十字型結(jié)構(gòu)完美超材料吸波體，通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。基于諧振電路理論，通過仿真進(jìn)一步研究了十字型吸波體諧振吸收頻率對(duì)其幾何參數(shù)的依賴關(guān)系。其次、設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的等效電路模型，通過仿真進(jìn)行了理論分析和驗(yàn)證。最后、基于多重諧振疊加原理設(shè)計(jì)了十字型多層結(jié)構(gòu)吸波體并通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的四十層十字型結(jié)構(gòu)吸波體，吸收率大于80％的相對(duì)帶寬達(dá)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(jì)。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(qiáng)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(duì)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(jī)理，通過單元結(jié)構(gòu)能量損耗分布特點(diǎn)分析其吸收特性，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)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(duì)

4、帶寬達(dá)到81%。設(shè)計(jì)的集總元件加載的四重開縫環(huán)復(fù)合結(jié)構(gòu)吸波體在2-6GHz范圍內(nèi)吸收率大于90%的相對(duì)帶寬達(dá)到50%。
　　3．巨圓二色性、巨旋光性、超透性與負(fù)折射率手征超材料設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)了一種基于四重90°交錯(cuò)開縫環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)的平面手征超材料，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的圓二色系數(shù)在諧振頻點(diǎn)達(dá)到0.58，同時(shí)該結(jié)構(gòu)還具有負(fù)折射特性。其次，基于Babinet原理設(shè)計(jì)了互補(bǔ)U型結(jié)構(gòu)組合雙層平面手征超材料，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的極化旋轉(zhuǎn)角達(dá)到83，旋光效應(yīng)

5、得到了有效的增強(qiáng)，同時(shí)表現(xiàn)出雙頻帶負(fù)折射特性。進(jìn)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(fù)折射特性。最后，設(shè)計(jì)了超薄雙層互補(bǔ)共軛結(jié)構(gòu)手征超材料，并進(jìn)行了仿真分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該手征超材料不僅表現(xiàn)出巨旋光效應(yīng)和負(fù)折射特性，同時(shí)還具有超強(qiáng)透射特性，透射系數(shù)達(dá)到0.87。還研究了傳輸系數(shù)、旋光效應(yīng)以及負(fù)折射特性對(duì)手征結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的依賴關(guān)系。
　　4．基于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)平面手征超材料極化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)了一種基于

6、不對(duì)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(jì)的結(jié)構(gòu)在諧振頻點(diǎn)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(duì)值均超過30dB，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)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(jì)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(diǎn)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(jì)了一種基于三層交錯(cuò)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。其工作帶寬得到了顯著的展寬，實(shí)驗(yàn)得到的極化轉(zhuǎn)換率在5.5–11.1 GHz范圍內(nèi)超過90%，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)帶寬達(dá)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(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)開辟了一條新的路徑。