【摘要】：電磁超材料是一類具備超常電磁特性的周期性單元結(jié)構(gòu)的人工復(fù)合材料,通過(guò)人為的對(duì)單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的調(diào)配,從而達(dá)到遠(yuǎn)超天然材料的電磁功能。電磁超材料吸波器是電磁超材料的一個(gè)子類,因?yàn)槠淞己玫奈ㄐ阅?在熱輻射、成像和傳感等領(lǐng)域的存在巨大潛力,受到了大量研究人員的關(guān)注。本文首先介紹了超材料吸波器的歷史和現(xiàn)狀,并著重關(guān)注于可調(diào)諧太赫茲超材料吸波器,然后基于具有優(yōu)良電學(xué)性能的石墨烯設(shè)計(jì)了一種可調(diào)諧的雙邊帶超材料吸波器和兩種可調(diào)諧寬頻帶超材料吸波器,建立了石墨烯的電導(dǎo)率模型,研究了吸波器的吸波性能,并通過(guò)多角度分析了吸波器的物理吸收機(jī)制。主要的研究?jī)?nèi)容如下:本文通過(guò)激發(fā)等離子體激元多模諧振的方式,提出了基于方片型石墨烯雙頻帶可調(diào)諧太赫茲吸波器。當(dāng)石墨烯的化學(xué)勢(shì)能等于0.5 eV時(shí),該吸波器在0.90 THz和3.12 THz處達(dá)到高吸收效果。通過(guò)改變外加電壓,該吸波器的吸波頻率將在0.85THz到1.01 THz和2.84 THz到3.37 THz范圍內(nèi)調(diào)諧。其次,本文提出了基于交叉橢圓鏤空型單層石墨烯寬頻帶可調(diào)諧太赫茲超材料吸波器。當(dāng)石墨烯的化學(xué)勢(shì)能等于0.5 eV時(shí),該吸波器在1.2 THz到1.8 THz范圍內(nèi)達(dá)到高于80%的吸波效果。此外,高度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性使該吸波體具備極化不敏感的特性。通過(guò)調(diào)諧外加電壓,該吸波器的工作頻帶在0.92-1.68 THz到1.20-1.96 THz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最后,提出了三交叉橢圓鏤空型石墨烯寬頻帶可調(diào)諧太赫茲吸波器,工作頻帶進(jìn)一步拓展到了1.13-1.97 THz。
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O441;TB34
【圖文】：

圖 1.2 左手材料：（a）一維左手材料；（b）二維左手材料在超材料理論研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)靈活調(diào)節(jié)，料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率自由調(diào)控，達(dá)到遠(yuǎn)大于 1、小于 1 接近于 0 的程度。顯然，電磁參數(shù)可以自由調(diào)控的超材料為設(shè)計(jì)具備新功能的器新的思路和方法，并在隱身技術(shù)、微小型微波器件、天線、天線罩、頻率等方面的應(yīng)用獲得了巨大的進(jìn)展[7-11]。由于超材料遠(yuǎn)超常規(guī)自然材料的奇性極大地滿足了人們對(duì)于材料設(shè)計(jì)的特殊要求，一些重要領(lǐng)域的瓶頸得人們的生活出現(xiàn)改變。在傳統(tǒng)微波器件中引入超材料，極大地改善了微波能，例如負(fù)磁導(dǎo)率基板天線能有效地降低天線的半波瓣寬度，提高天線的能。利用超材料設(shè)計(jì)具備傳播可控的結(jié)構(gòu)材料，使入射波完美透過(guò)超材料體，實(shí)現(xiàn)透明隱身的效果。通過(guò)超材料特殊的電磁性能可以有效降低電子的電磁干擾，使電子設(shè)備的工作更加穩(wěn)定，且減少了電磁波的輻射危害，們的身體健康。隨著研究工作的進(jìn)一步展開，完美吸波器、隱身斗篷、完(a)(b)

但是超材料內(nèi)部損耗對(duì)于利用超材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高性能吸波材料提供了新的思路。超材料吸波器具有強(qiáng)吸收、寬頻帶、厚度薄、質(zhì)量輕、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他吸波材料和吸波結(jié)構(gòu)，由此引起了許多人的研究興趣。同時(shí)MMA 作為一種新型的吸波材料，在傳感[19]、檢測(cè)[20]、調(diào)制[21]、熱輻射[22]、電磁隱身[23]、成像技術(shù)[24]等相關(guān)領(lǐng)域也獲得巨大的應(yīng)用。在 2002 年，首次提出的電磁超材料吸波器結(jié)構(gòu)采用的是頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，簡(jiǎn)稱 FSS），但是由于設(shè)計(jì)方法的繁瑣并不滿足于廣泛的應(yīng)用需求。2006 年，Bilotti[25]首先從理論上提出了超薄的超材料吸波器，它由表面的電阻板與底部周期性排列的開口諧振環(huán)陣列構(gòu)成，如圖 1.3（a）所示。但是，該方法的制備工藝復(fù)雜，成品的加工難度很大。直到 2008 年，Landy[26]等人構(gòu)造了由表面的電諧振環(huán)（Electric ring resonator，簡(jiǎn)稱 ERR）、中間介質(zhì)板與底部的金屬短線組成的微波段超材料完美吸波器。然后從理論和實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了超材料吸波器高效的吸波性能，如圖 1.3（b）（c）所示。利用超材料的電磁耦合諧振特性，設(shè)計(jì)高水平吸收率、厚度薄、結(jié)構(gòu)輕等吸波器是其的巨大亮點(diǎn)，引起了巨大的反響。

4 幾種簡(jiǎn)單的超材料吸波器結(jié)構(gòu)：（a）十字形結(jié)構(gòu)；（b）方片型貼片結(jié)構(gòu)；（c）十字形結(jié)構(gòu)在研究極化不敏感方面，設(shè)計(jì)具備 C4 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性的超材料表面結(jié)構(gòu)能極化不敏感的問(wèn)題。Ma[27]等人在太赫茲（Terahertz，簡(jiǎn)稱“THz”）波段方環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出具備極化不敏感特性的超材料吸波器結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真計(jì)算率分別在 2.5 THz 和 5.0 THz 超過(guò) 90%，達(dá)到了完美吸收效果，如圖 1.5 究寬角度入射方面，主要關(guān)注地是當(dāng)在入射角改變時(shí)，超材料吸波器仍然的吸波效果。Ye[28]等人也成功設(shè)計(jì)出一款極化不敏感且在寬入射角時(shí)仍能吸收的超材料吸波器結(jié)構(gòu)，其單元結(jié)構(gòu)由十字形 SRR、介質(zhì)板和金屬底板收頻點(diǎn) 4.96 THz 達(dá)到 99.9%，厚度小于中心頻率波長(zhǎng)的 1/25。(c)

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