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基于人工电磁材料的太赫兹吸波器研究

基于人工电磁材料的太赫兹吸波器研究

作者：诸葛骏川东南大学

学位级别：硕士

新型人工电磁材料是由按一定规则排布的亚波长单元结构组成,其最大特点为电磁参数的可调控性,即可以通过调整单元的形状及尺寸来实现所需的电磁参数。新型人工电磁材料在谐振频率附近具有较大的损耗,因而可以用来设计吸波器。本文研究... 详细信息

新型人工电磁材料是由按一定规则排布的亚波长单元结构组成,其最大特点为电磁参数的可调控性,即可以通过调整单元的形状及尺寸来实现所需的电磁参数。新型人工电磁材料在谐振频率附近具有较大的损耗,因而可以用来设计吸波器。本文研究了基于新型人工电磁材料的太赫兹吸波器,主要内容如下：(1)介绍了太赫兹技术,包括太赫兹波产生技术、太赫兹波探测技术,以及实验室中太赫兹器件的加工工艺和样品反射系数测试流程。(2)设计了基于雪花型结构的单层多波段太赫兹吸波器和基于方环结构的双层多波段太赫兹吸波器。雪花型结构相较于方环结构的优势是频带内没有高次谐波所产生的多余吸收峰。文中运用Fabry-Perot干涉模型与数字仿真相结合的手段验证了所设计结构的多波段吸波性能,最终的实测结果亦表明所设计的几种结构均对入射角度和极化方式不敏感。(3)设计了基于方型贴片的单层和双层超薄宽带太赫兹吸波器,利用谐振单元在较宽频带内产生频率相近的多次谐振,使得所设计的吸波器在频带内展现出良好的阻抗匹配特性,降低了反射率,从而实现较宽的高吸波率带宽。

关键词：新型人工电磁材料太赫兹技术吸波器多波段宽带

太赫兹波段偏振不敏感超材料吸波器的设计及特性分析

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太赫兹波段偏振不敏感超材料吸波器的设计及特性分析

作者：郝梦真北京交通大学

学位级别：硕士

太赫兹波位于电磁波谱中比较特殊的位置,因此其具有很多独特的电磁特性,受到了人们的广泛关注。但在自然界中能响应太赫兹波的物质少之又少,且太赫兹波的产生、探测和操控在理论研究方面还有待完善,实验条件也存在一定的局限性。电磁超... 详细信息

太赫兹波位于电磁波谱中比较特殊的位置,因此其具有很多独特的电磁特性,受到了人们的广泛关注。但在自然界中能响应太赫兹波的物质少之又少,且太赫兹波的产生、探测和操控在理论研究方面还有待完善,实验条件也存在一定的局限性。电磁超材料相关理论的提出以及微结构加工技术的发展,为研究太赫兹波提供了一种新的思路,这是因为可以通过人为地选取合适的材料、使用不同的结构以及控制结构的物理尺寸来设计响应太赫兹波的电磁超材料。自此太赫兹器件在短短几年内发展迅速,取得了累累硕果。相较于传统的吸波器,超材料吸波器具有吸收性能佳、厚度薄、易携带等优势,被广泛应用于电磁隐身、热探测器、滤波、成像等相关领域,成为学术界的研究热点之一。本文围绕太赫兹波段偏振不敏感超材料吸波器的设计为主题,进行了相关研究工作,提出了在太赫兹波段宽带偏振不敏感吸波器和双频偏振不敏感吸波器两种吸波结构:(1)提出并设计了一种带有耦合谐振环的太赫兹宽带偏振不敏感吸波器,首先设计了一种单峰偏振不敏感吸波器,并将结构单元在纵向进行堆叠。通过调整每一层之间的介质层厚度,以及各表面超材料层的结构参数而使层与层之间相互耦合,同时与自由空间达到阻抗匹配。最终实现吸收率在90%以上的带宽达到1.91THz,其中吸收率在97%以上的带宽约为1.65THz,且中心谐振频率点的吸收率达到了99.9%,实现了近100%的完美宽带吸收。因设计的宽带吸波器的结构具有中心对称性,故其具有偏振不敏感的吸收特性。通过仿真计算,显示设计的宽带吸波器在一定入射角下仍具有良好的吸收特性。将其与去掉耦合谐振环的结构进行对比,验证了谐振环在层与层之间起到了增强耦合的作用。(2)提出并设计了一种太赫兹双频偏振不敏感吸波器,基于典型的金属-介质-金属的类三明治结构。通过数值计算仿真,显示其在太赫兹波段产生了两个共振吸收峰,中心谐振频率分别为1.95THz和3.20THz,并在1.95THz处吸收率达到了99.9%,3.20THz处吸收率达到了99.4%。研究了双频吸波器的结构参数对吸收性能的影响,验证了其偏振不敏感特性。通过在不同入射角下仿真计算得到的吸收谱曲线还说明此吸波结构具有广角吸收特性,这将在实际应用中发挥重要作用。

关键词：超材料太赫兹吸波器偏振不敏感宽带双频

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新型电磁超材料吸波器研究

新型电磁超材料吸波器研究

作者：王玲玲南京航空航天大学

学位级别：硕士

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一类亚波长尺寸的人工周期结构,具有很多自然界中没有的奇异特性,电磁超材料吸波器(Metamaterial Absorber),是一种电磁超材料组成复合吸波材料,是近年来国际电磁领域的研究热点。本文将电... 详细信息

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一类亚波长尺寸的人工周期结构,具有很多自然界中没有的奇异特性,电磁超材料吸波器(Metamaterial Absorber),是一种电磁超材料组成复合吸波材料,是近年来国际电磁领域的研究热点。本文将电磁超材料理论、吸波器设计和应用背景相结合,设计出一款宽带柔性超材料吸波器,一款透射型宽带吸波器和一款非互易型吸波器。本文第一部分研究了宽带电磁超材料吸波器。设计了一款基于高阻表面的宽带柔性可共形吸波器,在6.86-18GHz的频率范围内吸收效率达到90%以上,并具有极化不敏感的优点,并且能够在吸收波段内有效降低雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。该工作的创新点为:采用柔性基板取代传统的刚性基板,可以实现与复杂形状的物体共形;采用丝网印刷高阻碳浆的办法来取代焊接集总原件的方法,具有环保,节省人力物力便于量化生产的好处;目前基于高阻表面的宽带吸波器的厚度一般为0.2λ(λ为中心频率对应的波长)左右,本文设计的基于高阻表面的吸波器相对而言比其他的印刷高阻表面的吸波器更薄其厚度仅为0.1250l,相对带宽更宽。本文第二部分在第一部分的研究基础上引入频率选择表面(Frequency Selective Surfaces,FSS)结构设计出第二款透射型宽带吸波器,在兼顾吸波性能的同时,还在吸收带外实现了一个透射窗口。该工作的创新点为:利用印刷高阻碳浆的方法在较高频段(7-16GHz)实现了对电磁波的宽带吸收,而在较低频段(2.9GHz)获得了一个透射峰,工作时能同时满足较高频段的宽带吸波和低频段的透射功能。本文第三部分研究了一款三维结构的非互易(non-reciprocity)电磁超材料吸波器。该吸波器由两个相互垂直的超材料片层构成,在大角度入射的条件下,对于从不同端口入射的TE极化的电磁波有着明显不同的吸收和透射性能,即非互易现象。该工作的创新点为:大角度入射时,在不同的入射端口参与谐振的超材料结构不同,引起了非互易现象;类似于磁光材料的分析方法,在周期结构中人为引入非对称的结构形成类磁光介质,从而实现不同频段非互易吸收和非互易透射的功能。

关键词：电磁超材料吸波器宽带柔性基板非互易

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电磁超材料吸波器的结构设计及影响因素分析

电磁超材料吸波器的结构设计及影响因素分析

作者：杨一南京理工大学

学位级别：硕士

超材料吸波器是一种周期性吸波单元组成的阵列结构,能够通过人工设计来实现对电磁波的调控,由于其通常具有超薄的几何尺寸和高频的工作频段,能够打破传统吸波器的局限性而受到了学术界的重视。经过多年研究,超材料吸波器已广泛应用于军... 详细信息

超材料吸波器是一种周期性吸波单元组成的阵列结构,能够通过人工设计来实现对电磁波的调控,由于其通常具有超薄的几何尺寸和高频的工作频段,能够打破传统吸波器的局限性而受到了学术界的重视。经过多年研究,超材料吸波器已广泛应用于军事隐身、改善天线收发特性以及防治电磁污染等方面。目前关于超材料吸波器的研究主要集中在结构设计,但是设计出的结构仍然存在吸波率不够高、工作频带不够宽以及只能对某频点完美吸波的问题。因此,本文从超材料吸波器的组成结构入手,重点研究损耗层结构与几何参数、介质层组成材料对吸波性能的影响,主要工作如下:(1)设计了树枝型、米字型和风车型三种不同损耗层结构的超材料吸波器。通过仿真实验验证了三种吸波器均具有完美吸波、宽带吸波和多角度入射的良好性能,并且后两者还具有极化不敏感的特性。(2)研究了损耗层的结构、几何参数对吸波器性能的影响。通过上述吸波器损耗层不同几何参数下的吸波曲线对比,结果表明超材料吸波器的吸波性能主要由损耗层结构决定,其组成部分间的距离越小,吸波性能越优;表面电流强度越大的部分,其几何参数变化越大,吸波性能受到的影响越明显。(3)研究了两种材料组成的介质层中各层材料对吸波器性能的影响。通过上述吸波器在不同介质层组成材料下的等效阻抗和吸波特性对比,结果表明超材料吸波器的吸波性能主要由介质层的顶层材料决定,其损耗角正切值越大,吸波性能越优。

关键词：电磁超材料吸波器电阻膜材料设计

人工电磁材料太赫兹吸波器超薄宽频带单元结构设计研究

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人工电磁材料太赫兹吸波器超薄宽频带单元结构设计研究

作者：刘晓波南京邮电大学

学位级别：硕士

人工电磁超材料是由周期性亚波长金属谐振单元和介电材料组合构成的人工复合材料,它可以展现出一般自然材料所不具备的奇异电磁特性。目前,人工电磁超材料可应用于天线、微波电路、电磁隐身、电磁吸波等领域,是国内外的研究热点。在本文... 详细信息

人工电磁超材料是由周期性亚波长金属谐振单元和介电材料组合构成的人工复合材料,它可以展现出一般自然材料所不具备的奇异电磁特性。目前,人工电磁超材料可应用于天线、微波电路、电磁隐身、电磁吸波等领域,是国内外的研究热点。在本文中,我们研究了太赫兹波段的人工电磁材料吸波器,完成了用等效电路理论对其进行分析的工作并解释了其吸波机理,并且,对太赫兹吸波器宽带单元进行了研究和设计。完成的工作如下:1.建立了人工电磁材料双频点太赫兹吸波器的等效电路模型,并由微波传输线理论推导求解出双频点等效电路中集总元件值RLC的计算公式。在众多对于人工电磁材料吸波效应的理论解释中,基于微波传输线理论的等效电路分析方法能够精确描述吸波器单元结构分布参数与集总元件值之间的关系。据此,我们设计了谐振频率分别为1.5THz和3THz的圆环和十字架组合单元结构双频点吸波器。根据全波电磁仿真结果计算出等效电路中的集总元件值并搭建电路,电路仿真计算结果与全波电磁仿真计算结果一致,验证了所建立双频点等效电路的正确性,从而用电路理论解释了双频点太赫兹吸波器的吸波机理。2.提出了E型贴片结构的宽带吸波单元。传统的宽带吸波器通常用窄带谐振单元堆叠构成多层吸波器以展宽吸波带宽。E型贴片结构是微带天线设计中的宽频带单元,我们成功地将其应用在宽带吸波器设计中。利用结构自身形成的双峰谐振特性,设计出来的吸波单元90%吸收效率的相对带宽约为7.68%,相比于传统的窄带吸波单元,相对带宽提高超过了100%,而且其整体厚度仅为中心波长的1/50,具有超薄的特点。3.设计了顶层由两个不同尺寸E型贴片共面组合的宽带人工电磁材料太赫兹吸波器,即利用共平面组合结构来扩展吸波器的吸收带宽。该吸波结构形成了4峰谐振特性,其90%吸收效率的相对带宽约为12.75%,即通过不同贴片单元吸收峰的叠加实现了带宽吸收效果,同样也具有超薄的特点。4.基于吸收峰叠加原理,设计了基于E型贴片的多层宽带人工电磁材料太赫兹吸波器。通过将3个结构相同但是尺寸不同的E型贴片堆叠成金字塔形吸波结构,设计出了一种太赫兹宽频带吸波器。该吸波结构形成了6峰谐振特性,其90%吸收效率的相对带宽约为28.26%,具有优异的宽带吸收特性。同时,该吸波器虽然是一个多层结构,但其整体厚度是中心波长的1/9,仍然远小于四分之一波长。

关键词：吸波器人工电磁材料太赫兹等效电路宽带单元超薄多层

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宽带超材料吸波器与极化转换器研究

宽带超材料吸波器与极化转换器研究

作者：刘璐璐南京航空航天大学

学位级别：硕士

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一种人工复合材料,具有很多超常物理特性,例如负折射率、负介电常数和负磁导率、逆向多普勒效应等。自超材料概念被提出以来,国内外科研工作人员一直将其作为重要研究方向,电磁超材料吸波器... 详细信息

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一种人工复合材料,具有很多超常物理特性,例如负折射率、负介电常数和负磁导率、逆向多普勒效应等。自超材料概念被提出以来,国内外科研工作人员一直将其作为重要研究方向,电磁超材料吸波器和电磁超材料极化转换器作为其中一个分支已经成为近几年来的研究热点。本文将电磁超材料理论与吸波器理论和极化转换机理相结合,设计了一款超宽带电磁超材料吸波器、一款超宽带反射型电磁超材料极化转换器和一款宽带电磁超材料线-圆极化转换器。本文的第一部分主要内容是超宽带电磁超材料吸波器。这一部分设计了一款加载集总电阻的超宽带电磁超材料吸波器,该吸波器的单元结构由两层FR4介质基板分隔由五个金属柱连接的三层金属层构成,集总电阻加载在顶层金属层上。该吸波器的工作带宽范围是5.55-12.98GHz,包括C波段并且全覆盖了X波段,在工作频带内可以达到90%以上的吸收效率,并且是极化不敏感的,可以大角度入射的。对于理想吸波器来说,其吸收率曲线应该是一个矩形,而本部分设计的吸波器的吸收曲线选择性很好,有很好的矩形系数。本文第二部分主要内容是关于极化转换引起的吸波假象研究。吸波假象是在本人研究超材料吸波器的过程中发现的,将吸波器结构的对称性改变可以增加谐振频点,误以为这是一种可以拓宽吸波器带宽的方法,但是通过后续研究发现,改变后的结构并不是吸收了电磁波,而是改变了电磁波的极化方式,造成吸波假象的根本原因是发生了极化转换。本文第三部分主要内容是超宽带反射型电磁超材料极化转换器。该极化转换器的单元结构由两个交叠的金属环加两个金属短线构成,整个结构图形关于正方形的对角线对称,介质基板采用介电常数为2.2的F4B。该极化转换器在8.6-20.6GHz内可以达到90%以上的极化转换率,其相对带宽为82.2%,比较其他极化转换器设计本文设计的极化转换器带宽更宽。将所设计的反射型超宽带电磁超材料极化转换器进行了加工实测,得到的实测结果和仿真结果基本吻合。本文第四部分主要内容是电磁超材料线-圆极化转换器。首先设计了一款窄带线-圆极化转换器,其1dB轴比相对带宽为14.8%,在频带16.1-18.7GHz内可以高效实现线极化转换为圆极化。随后在其基础上设计研究了一款宽带线-圆极化转换器,通过开缝的方法有效拓宽了带宽,并且可以大角度入射。最后研究了其极化转换机理,通过分析得知可以调节相关参数使得反射波的电场分量的相位差满足圆极化波条件,从而实现线-圆极化转换。

关键词：电磁超材料宽带吸波器极化转换器线-圆极化转换器

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人工电磁材料太赫兹吸波器等效电路的研究

人工电磁材料太赫兹吸波器等效电路的研究

作者：黄博南京邮电大学

学位级别：硕士

太赫兹（THz）频谱处于一个很独特的频段，它不能明确的归于微波段或光波段，因此不能直接用现今已成熟的微波或者光波理论研究，但其有着广泛的应用前景，成为了目前国际的研究热点和难点。本文对新型的太赫兹人工电磁材料吸波器进行... 详细信息

太赫兹（THz）频谱处于一个很独特的频段，它不能明确的归于微波段或光波段，因此不能直接用现今已成熟的微波或者光波理论研究，但其有着广泛的应用前景，成为了目前国际的研究热点和难点。本文对新型的太赫兹人工电磁材料吸波器进行了研究，通过用等效电路的原理进行分析和解释其吸波机理。本文的主要内容是：（1）阐述了THz技术、频率选择表面、人工电磁材料的基本概念和理论，以及它们的一些基本特性。（2）设计了基于频率选择表面人工电磁材料吸波器的基本单元结构，通过全波仿真分析了圆环结构、十字架结构、方环结构、Y型结构单元的尺寸、入射角度、极化方式对吸收效率的影响。（3）设计出新型基于频率选择表面人工电磁材料双频点吸波器，两个吸收谐振点为1.5THz/3.0THz，入射角在0°到60°的范围内，最大的吸收效率能达到90%以上，而且对于TE和TM极化都有很好吸收稳定性。（4）建立了新型基于频率选择表面人工电磁材料太赫兹双频点吸波器的等效电路模型，抽取出等效电路中集总元件参数值，并通过仿真验证了等效电路正确性，为我们在工程设计中提供了参考。本文的结构仿真是用全波仿真软件HFSS验证的，等效电路模型则通过ADS进行仿真。

关键词：等效电路人工电磁材料频率选择表面吸波器

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基于磁激元的嵌套环超材料吸波器的吸收特性

光学学报 2019年第8期39卷 247-254页

作者：毛前军冯春早武汉科技大学城市建设学院

多频段超材料完美吸波器的设计在多色光学领域具有重要意义。提出一种多频段金属-绝缘层-金属超材料吸波器,其表面电磁响应单元为三圈嵌套的金属环阵列,采用时域有限差分方法计算结构单元的吸收光谱和电磁场密度分布。结果表明:该结构... 详细信息

多频段超材料完美吸波器的设计在多色光学领域具有重要意义。提出一种多频段金属-绝缘层-金属超材料吸波器,其表面电磁响应单元为三圈嵌套的金属环阵列,采用时域有限差分方法计算结构单元的吸收光谱和电磁场密度分布。结果表明:该结构单元在1.44,2.28,3.25μm处分别实现了98.5%、99.6%和99.9%的吸收率,物理机理为磁激元共振激发。系统分析结构几何参数对共振的影响,通过改变金属环的直径和高度,可以对不同的共振进行独立调控。该结构单元的吸收光谱对入射光极化角度具有良好的稳健性。并进一步分析了超材料吸波器的传感特性,其最大品质因数高达8.3 RIU-1(RIU为折射率单元),对应的灵敏度为1.08μm·RIU-1,表现出优良的红外传感性能。该吸波器可应用于传感领域,亦可为其他超材料的设计带来新启示。

关键词：材料吸波器超材料磁激元共振

一种正交扳手形低剖面宽带高吸收率吸波器设计

维普期刊数据库

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一种正交扳手形低剖面宽带高吸收率吸波器设计