發(fā)布時間：2018-04-02 16:25

  本文選題：電磁超材料　切入點(diǎn)：耦合機(jī)理　出處：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：電磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一種自然界不存在的具有超常電磁學(xué)和光學(xué)特性的結(jié)構(gòu)型材料,其主要由人工合成獲得,在材料學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等物理領(lǐng)域具有極其重要的研究價值,亦在電子電路、無線通信等工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。從21世紀(jì)初首個微波頻段的電磁超材料實(shí)現(xiàn)后至今,電磁超材料技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)而受到持續(xù)廣泛的關(guān)注。近15年以來,已報道的電磁超材料合成方法主要基于諧振金屬環(huán)、加載傳輸線等周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。然而,傳統(tǒng)電磁超材料合成技術(shù)研究并未考慮其諧振單元內(nèi)部以及相鄰單元之間的相互作用,其呈現(xiàn)的超常電磁學(xué)／光學(xué)特性只是多個諧振單元等效平均效應(yīng),電磁超材料單元內(nèi)部及單元之間存在的各種耦合互作用機(jī)制及效應(yīng)未被研究和開發(fā)利用。因此,在電磁超材料的合成方法、設(shè)計實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用研究等方面,還需廣泛深入地研究電磁超材料單元內(nèi)部以及單元之間的耦合互作用機(jī)理,探索控制其耦合效應(yīng)及特性的有效方法和途徑,充分挖掘和發(fā)揮超材料的獨(dú)特電磁特性,實(shí)現(xiàn)其更廣泛應(yīng)用。本論文在深入研究電磁超材料中單元諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用機(jī)理及其特性控制方法之基礎(chǔ)上,獲得電磁超材料諧振頻率、諧振幅度等特性調(diào)諧可控的技術(shù)途徑。采用機(jī)械調(diào)節(jié)單元諧振金屬環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和單元位置改變耦合互作用效應(yīng)的方法,設(shè)計實(shí)現(xiàn)了X頻段諧振頻率及幅度可調(diào)可控型電磁超材料、及基于這種超材料的單頻和雙頻可調(diào)諧帶阻濾波器；組合應(yīng)用延長單元結(jié)構(gòu)的等效電長度、減小超材料結(jié)構(gòu)的周期長度等方法,設(shè)計出了S頻段電小尺寸吸波超材料；通過改變電磁超材料中雪花狀金屬諧振單元的各分支等效電長度,設(shè)計出了X頻段單頻、雙頻及多頻吸波超材料；采用鐵氧體介質(zhì)-常規(guī)雙頻電磁超材料相互層疊方式,設(shè)計出了在C-X頻段內(nèi)可調(diào)諧的多頻電磁超材料。本論文的主要研究工作及創(chuàng)新貢獻(xiàn)如下：1.采用等效電路分析法及鏡像原理,深入研究了矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁超材料中金屬開口諧振環(huán)單元內(nèi)部、各單元之間、單元與其鏡像結(jié)構(gòu)之間的耦合互作用機(jī)理及效應(yīng)；通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究,分析了單個、兩個、多個金屬開口諧振環(huán)單元在矩形波導(dǎo)內(nèi)的諧振頻率、諧振幅度等特性及其可控調(diào)節(jié)方法,設(shè)計研制出X頻段諧振頻率及幅度可調(diào)可控型電磁超材料。采用機(jī)械調(diào)節(jié)矩形波導(dǎo)內(nèi)金屬開口諧振環(huán)的開口方位、金屬開口諧振環(huán)-矩形波導(dǎo)壁的距離等方法控制電磁超材料中金屬開口諧振環(huán)單元內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用強(qiáng)度,進(jìn)而調(diào)控電磁超材料的諧振頻率、諧振幅度等特性,研究設(shè)計出X頻段單頻和雙頻可調(diào)諧帶阻濾波器。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明調(diào)節(jié)矩形波導(dǎo)內(nèi)金屬開口諧振環(huán)單元數(shù)量、諧振環(huán)的開口方位、金屬開口諧振環(huán)-矩形波導(dǎo)壁的距離,獲得了諧振頻率可調(diào)諧帶寬達(dá)到中心頻率的7.5%。這種機(jī)械調(diào)節(jié)金屬開口諧振環(huán)加載矩形波導(dǎo)式帶阻濾波器工作頻率的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點(diǎn),可廣泛用于微波毫米波通信系統(tǒng)。2.采用等效電路法研究了電諧振金屬環(huán)單元內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用效應(yīng),分析了在電諧振金屬環(huán)單元外觀尺寸不變條件下降低電磁超材料諧振頻率的機(jī)制,采用在電諧振金屬環(huán)環(huán)內(nèi)延長環(huán)長度、減小超材料中電諧振金屬環(huán)構(gòu)成的二維陣列的周期長度、在電諧振金屬環(huán)周期陣列上加載介質(zhì)覆蓋層等方法,有效地降低了電磁超材料的諧振頻率;基于FR4介質(zhì)設(shè)計出S頻段電小尺寸吸波超材料,吸波超材料中電諧振金屬環(huán)單元外觀尺寸僅為工作波長的1/37,其對寬入射角入射的電磁波達(dá)到了超過93%的吸波效率,這類吸波超材料可廣泛用于降低陣列天線、微波電路與系統(tǒng)等內(nèi)部耦合串?dāng)_的效應(yīng)。3.采用電磁特性數(shù)值仿真方法研究了雪花狀電諧振金屬環(huán)內(nèi)各分支之間的耦合互作用機(jī)理、各分支的等效電長度對諧振頻率的影響,分析了雪花狀電諧振金屬環(huán)單元構(gòu)成的電磁超材料產(chǎn)生單頻、雙頻、多頻諧振的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件,設(shè)計出基于雪花狀電諧振金屬環(huán)的單頻、雙頻及多頻X頻段吸波超材料,實(shí)驗(yàn)測試了該X頻段吸波超材料的電磁特性,測試結(jié)果表明改變雪花狀電諧振金屬環(huán)單元內(nèi)主軸、副軸的等效電長度能有效調(diào)節(jié)吸波超材料的工作頻率和轉(zhuǎn)換工作模式。4.基于等效媒質(zhì)理論,研究分析了鐵氧體介質(zhì)-常規(guī)雙頻電磁超材料相互層疊結(jié)構(gòu)中鐵氧體、雙頻電磁超材料中單元結(jié)構(gòu)之間的互作用機(jī)理及效應(yīng),設(shè)計出鐵氧體介質(zhì)-常規(guī)雙頻電磁超材料相互層疊構(gòu)成的C-X頻段可控調(diào)諧型多頻電磁超材料,理論分析與數(shù)值仿真結(jié)果表明這種電磁超材料具有三個可調(diào)諧的負(fù)磁導(dǎo)率工作頻段,其可用于設(shè)計實(shí)現(xiàn)可控調(diào)諧型多頻吸波超材料、隱身斗篷、天線等新型光電器件與系統(tǒng)。本論文通過對電磁超材料中結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用機(jī)理及效應(yīng)的深入研究,獲得了調(diào)控電磁超材料的諧振頻率和諧振幅度的技術(shù)方法及應(yīng)用途徑,設(shè)計研制出基于超材料的機(jī)械調(diào)諧式微波帶阻濾波器、電小尺寸S頻段吸波超材料、工作頻率及模式可控的X頻段吸波超材料等新型可控多頻電磁超材料及微波器件,其在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB34;O441

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