【摘要】：人工電磁材料是指將人工設(shè)計(jì)遠(yuǎn)小于其工作波長(zhǎng)的單元結(jié)構(gòu)周期排布組合而成的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)性材料。這種材料可以通過(guò)人工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自然材料所不具備的超常電磁特性。近年來(lái),學(xué)者們基于人工電磁材料在電磁波傳播特性調(diào)控領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的研究。其中,基于人工電磁材料電磁吸波結(jié)構(gòu)的研究尤其成為其中熱點(diǎn)�；谌斯る姶挪牧显O(shè)計(jì)的多種類型的電磁吸波結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),相對(duì)于傳統(tǒng)的吸波結(jié)構(gòu),基于人工電磁材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的吸波結(jié)構(gòu)更加輕薄,吸波帶寬和性能也具有很大的優(yōu)勢(shì)。本文主要基于人工電磁材料設(shè)計(jì)了兩種吸波材料:首先,本文基于近零磁導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)了在P波段的吸波頻段可切換的電磁吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前基于人工電磁材料設(shè)計(jì)的吸波結(jié)構(gòu)大部分工作在微波的較高頻段,可對(duì)于工作在P波段的吸波結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少�；诮愦艑�(dǎo)率可以在厚度超薄的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波有效的吸收,本文利用這一特性設(shè)計(jì)了一種雙面覆有金屬“回”形結(jié)構(gòu)的介質(zhì)單元結(jié)構(gòu),對(duì)0.69 GHz附近頻段的電磁波的產(chǎn)生有效的吸收。隨后又通過(guò)在金屬“回”形結(jié)構(gòu)上加載PIN管,控制PIN管的饋電電壓,可以控制PIN管的通斷,從而控制有效金屬“回”形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)吸波峰在0.69 GHz和0.80 GHz的可切換。通過(guò)正交擺放單極化結(jié)構(gòu)的方式,實(shí)現(xiàn)了雙極化有效吸波的功能。本文還研究了拓寬基于近零磁導(dǎo)率設(shè)計(jì)的吸波結(jié)構(gòu)的吸波帶寬的方法,主要是將不同長(zhǎng)度的金屬“回”形結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合,從而引入了多諧振,實(shí)現(xiàn)相近吸波峰的疊加,拓寬了結(jié)構(gòu)的吸波帶寬。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了通過(guò)不同長(zhǎng)度金屬“回”形結(jié)構(gòu)的復(fù)合可實(shí)現(xiàn)吸波帶寬的拓寬。其次,本文基于人工表面等離激元設(shè)計(jì)了三種寬帶吸波材料。人工表面等離激元具有高束縛性,在截止頻率可以激發(fā)出一種慢波模式,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的吸收。利用這一吸波原理,首先我們?cè)O(shè)計(jì)了一種十字矩形金屬-介質(zhì)疊合結(jié)構(gòu),通過(guò)與鐵磁性材料相復(fù)合,在1-9.7 GHz的全波段實(shí)現(xiàn)了90%以上的吸波率。隨后,本文設(shè)計(jì)了一種十字形覆有柵形漸變金屬條介質(zhì)結(jié)構(gòu)。將大小不同的十字覆有柵形漸變金屬條介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合,實(shí)現(xiàn)了更為寬帶的吸波,驗(yàn)證了基于人工表面等離激元設(shè)計(jì)的吸波材料可以通過(guò)將大小不同的單元結(jié)構(gòu)相復(fù)合成新的單元結(jié)構(gòu),進(jìn)一步拓寬吸波帶寬。本文還探究了一種類金字塔形狀的金屬-介質(zhì)疊合結(jié)構(gòu),不同大小的類金字塔形狀的金屬-介質(zhì)疊合結(jié)構(gòu)相復(fù)合組成單元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了在6-20 GHz 90%以上的吸波率。最后,本文在復(fù)合類金字塔單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,引入矩形環(huán)槽的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了吸透一體的功能。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(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】：

工作波長(zhǎng)的單元結(jié)構(gòu)周期排布組合而成的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)性材料，這種材料可以通逡逑過(guò)人工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自然材料所不具備的超常電磁特性。逡逑在自然界中，如圖１．１所示，電磁波在不同介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑r(shí)，入射電磁逡逑波和折射電磁波會(huì)分布在法線的兩側(cè)。而假如下半空間的媒質(zhì)是由人工電磁材料逡逑構(gòu)成的，現(xiàn)象可能大為不同一一入射電磁波和折射電磁波可能位于法線的同側(cè)，逡逑此時(shí)這種材料表現(xiàn)出了自然界中不存在的負(fù)折射現(xiàn)象。我們將這種材料稱為左手逡逑材料或負(fù)折射率材料［３１。人工電磁材料的研究起源于對(duì)左手材料的研究。逡逑＾邐法線逡逑／＼逡逑負(fù)折射電磁波＼折射電磁波逡逑圖１．１電磁波在普通材料和負(fù)折射率材料分界面上發(fā)生折射情況逡逑在電磁波的研究領(lǐng)域，我們－般用磁導(dǎo)率＂和介電常數(shù)ｆ表征材料的電磁特逡逑性。以相對(duì)介電常數(shù)為橫坐標(biāo)軸，相對(duì)磁導(dǎo)率為縱坐標(biāo)軸，如圖１．２所示，可以逡逑將物質(zhì)按照不同的電磁特性分為四個(gè)象限［２｜。在自然界中，大部分材料的相對(duì)磁逡逑導(dǎo)率和介電系數(shù)的值通常大于或等于１，位于坐標(biāo)軸的第一象限的；在特定的情逡逑況下，也存在少數(shù)的電等離子體和磁等離子體表現(xiàn)出的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別位逡逑于坐標(biāo)軸的第二象限和第四象限，即磁導(dǎo)率和介電常數(shù)一正一負(fù)；但介電常數(shù)和逡逑磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料在自然界中暫未發(fā)現(xiàn)。逡逑１９６９年

直到１９９６年，英國(guó)科學(xué)家Ｐｅｎｄｒｙ教授先后分別提出了周期排列的金屬線結(jié)逡逑構(gòu)［１４１和開(kāi)口金屬環(huán)結(jié)構(gòu)［１５１，分別具有負(fù)的等效介電常數(shù)和負(fù)的等效磁導(dǎo)率。周期逡逑排列的金屬線結(jié)構(gòu)如圖１．３（ａ）所示；開(kāi)口金屬環(huán)結(jié)構(gòu)如圖１．３（ｂ）所示。２０００年，逡逑美國(guó)科學(xué)家Ｄ．Ｒ．ＳｍｉｔｈｌＷ等人在Ｐｅｎｄｉｙ等人的研究基礎(chǔ)上，巧妙的將周期排列金逡逑屬線和開(kāi)口金屬環(huán)進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ｒ等效磁導(dǎo)率和等效介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)的逡逑人工復(fù)合型材料，首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了邋Ｖｅｓｅｌａｇｏ的理論分析，實(shí)現(xiàn)了左手材料的逡逑設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖１．３（ｃ）所示，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果如圖１．３（ｄ）所示。逡逑Ｐｅｎｄｒｙ和Ｄ．Ｒ．Ｓｎｕｔｈ等人設(shè)計(jì)的人工復(fù)合型材料主要是利用單元結(jié)構(gòu)來(lái)模擬逡逑天然材料中組成物質(zhì)的原子或者分子，然后將單元結(jié)構(gòu)按照一定的方式進(jìn)行排列逡逑構(gòu)成整體，使其具有奇異的等效電磁特性。這種基于等效媒質(zhì)理論的設(shè)計(jì)方法要逡逑求單元結(jié)構(gòu)的尺寸遠(yuǎn)小于材料工作頻率的波長(zhǎng)，這樣才能滿足等效媒質(zhì)理論的近逡逑２逡逑

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的有效調(diào)控。手性人工電磁材料［１８＿２３間以對(duì)電逡逑磁波的極化狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控等；近零超材料｜２４—８］具有電磁隨穿、超耦合等電磁現(xiàn)象，逡逑也可以用于對(duì)入射電磁波的有效吸收，如圖１．４所示；可調(diào)的人工電磁材料［２？３４］逡逑通過(guò)引入了其他可控電子器件等，使其具備可調(diào)節(jié)的功能，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的應(yīng)用。逡逑近年來(lái)，有關(guān)數(shù)字超材料１４１４３１的研究也取得了很大的突破，Ｎａｄｅｒ邋Ｅｎｇｈｅｔａ和逡逑Ｃｒｉｓｔｉａｎ邋Ｄｅｌｌａ邋Ｇｉｏｖａｍｐａｏｌａ等提出了通過(guò)創(chuàng)建超材料數(shù)位１４１］，將超材料數(shù)位進(jìn)行逡逑一定的排列，組合成超材料數(shù)字字節(jié)，如同計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“１”和“０”，不同字逡逑節(jié)有不同功能，最終構(gòu)成具有奇特性質(zhì)的復(fù)雜超材料，如圖１．５所示。逡逑隨著科學(xué)家對(duì)人工電磁材料不斷深入的研宄，人工電磁材料在光學(xué)、通信學(xué)、逡逑電磁隱身等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，美國(guó)《科學(xué)》雜志曾兩度將其評(píng)為十大重要科逡逑學(xué)進(jìn)展之一

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1 吳鍵,李兵,張焰;超薄吸波結(jié)構(gòu)材料的制備[J];中國(guó)塑料;2003年07期

2 高正平,饒力;電路模擬技術(shù)在吸波結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J];電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);1998年02期

3 莊海燕;楊q

本文編號(hào)：2799061