能量控制型人工电磁材料研究

作     者：夏雨 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王毅

授予年度：2022年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：电磁能量控制 电磁材料 超表面 能量选择表面 隐身与功率防护一体化 

摘      要：本文针对电磁能量控制型电磁材料进行研究,主要涉及两种控制技术:一是利用人工电磁超表面(Metasurface)控制电磁波波束的方向,从而调控电磁能量的空间分布;二是通过能量选择表面(Energy Selective Surface,ESS)进行空间电磁防护。ESS是一种利用压控导电材料或电磁敏感材料进行设计从而实现特定功能的电磁防护材料,可以根据空间中电磁能量的强弱自适应地改变自身对经过电磁波的传输特性。因此,两种技术均可用作电磁能量开关。随着当今电磁环境愈来愈复杂,电磁能量控制已成为当下科学研究领域最重要的研究课题之一,在军事和民用领域都具有十分广泛的应用需求。本文所研究的能量控制型电磁材料主要包括两种技术:基于超表面的能量开关控制和基于ESS的能量防护控制技术。论文中对基本原理进行了分析、对典型功能进行了设计和样件制作,并通过实验测试验证了设计的正确性。本文具体的研究工作如下:1)针对电磁材料的电磁调控机理进行了研究,设计实现了具有典型功率开关功能的可重构超表面。作为典型电磁材料的一种,对超表面实现波束控制的基本原理进行了分析,并仿真设计了一款由耶路撒冷十字结构单元构成的超表面结构。该结构的特点主要是圆形阵列、机械旋转可调控、多功能可重构,实现了对入射波聚焦、异常反射、散射三个功能的切换。针对该结构,设计了带有无线能量传输系统的可视化实验验证其功能。2)针对电磁材料的能量防护机理进行研究,设计实现了具有典型功能的ESS。研究ESS的工作机理,通过场路结合与联合仿真的方法研究了集总器件电路在ESS上的加载过程与电磁响应特性,通过设计三个缝隙谐振贴片型ESS,分别实现了具有单极化、双极化和双频点的ESS。对典型设计进行了加工制作,并采用波导测试法进行测试,可以很明显的看出当入射波功率为-30dBm时,表面呈现透波状态;当入射波功率为14dBm时,表面呈现反射状态,即实现了对入射能量的选择功能。3)针对隐身-能量选择一体化结构进行了设计研究,实现了多功能ESS。设计了一款上层为频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS),下层为ESS的一体化结构。该结构通过上层加载集总电阻与下层共同构成频率选择吸波器(Frequency Selective Absorber,FSA),在6-18GHz频段内呈现了较好的吸波隐身功能,下层在吸波带内相当于金属地。在带外的2GHz的预设天线通信频点处,该结构呈现出ESS的功能,可以保护通信系统在正常通信的情况下避免大功率电磁波的干扰和破环。对该结构进行了实物制作,并设计了两个实验验证其隐身和能量防护的功效。