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电磁超材料在超宽带雷达隐身微小卫星设计中的应用

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宇航学报 2021年第6期42卷 775-782页

作者：孔祥鲲孔令奇姜顺流胡豪斌张翔南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室南京210016 南京理工大学机械工程学院南京210094

针对微小卫星在雷达频段面临的宽带隐身问题,提出利用电磁超材料实现卫星隐身的设计方案,该方案包括两种不同类型的电磁超材料雷达吸波体。其中多层结构超宽带吸波体利用高阻表面设计耦合型吸波结构,适用于微小卫星星体及太阳能电池阵... 详细信息

针对微小卫星在雷达频段面临的宽带隐身问题,提出利用电磁超材料实现卫星隐身的设计方案,该方案包括两种不同类型的电磁超材料雷达吸波体。其中多层结构超宽带吸波体利用高阻表面设计耦合型吸波结构,适用于微小卫星星体及太阳能电池阵背光面,工作频带覆盖S、C、X、Ku频段;透光型混合结构宽带吸波体利用高透光的氧化铟锡设计吸波结构,适用于卫星电池阵受光面,隐身频带覆盖X、Ku频段。样件及整星的仿真和实验结果表明,电磁超材料构建的雷达吸波体可以实现超宽频带电磁波的有效吸收。将该材料应用于微小卫星的设计中,可以达到卫星整星RCS缩减的目的。该材料不论是机械强度、密度、透光性,还是抗原子氧剥蚀能力都具备潜在的工程应用价值。

关键词：电磁超材料雷达隐身雷达散射截面微小卫星超材料吸波体

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基于混合电磁超材料的宽角扫描相控阵天线

电子学报 2023年第2期51卷 267-274页

作者：王崭董元旦电子科技大学电子科学与工程学院(示范性微电子学院) 四川成都611731

本文提出了一种新颖的基于混合电磁超材料的小型化低成本宽角扫描相控阵天线.通过在介质谐振器上加载电磁超表面,引入额外的容性加载,实现了一种新型的小型化混合电磁超材料辐射体结构(电尺寸仅为0.39λ_(0)×0.27λ_(0)×0.09λ_(0)).... 详细信息

本文提出了一种新颖的基于混合电磁超材料的小型化低成本宽角扫描相控阵天线.通过在介质谐振器上加载电磁超表面,引入额外的容性加载,实现了一种新型的小型化混合电磁超材料辐射体结构(电尺寸仅为0.39λ_(0)×0.27λ_(0)×0.09λ_(0)).同时,由于混合电磁超表面的小型化和周期特性,阵间距缩短为0.40λ0,增大了波束的扫描范围.此外,混合超材料辐射体中嵌入的空气孔和地板上开设的T形槽,能够提高阵元间的隔离度.基于混合电磁超材料、紧间距布阵和去耦设计,对一个五元宽角扫描线阵进行了设计与测试.该阵列各端口的-10 dB阻抗带宽均大于3.30~3.80 GHz(14.1%),带内隔离度均优于13 dB,最大辐射增益10.1 dBi,主波瓣扫描范围为[-81°,84°],3 dB波束宽度覆盖范围为[-111°,105°].该阵列具有小型化、宽带宽、宽扫描范围以及低成本的优点,适用于低成本、高可靠性和智能化的无线通信应用.

关键词：电磁超材料小型化介质谐振器宽角扫描阵列相控阵天线

电磁超材料在MCR-WPT系统中的应用研究

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电磁超材料在MCR-WPT系统中的应用研究

作者：黄杉杉长安大学

学位级别：硕士

磁耦合谐振无线电能传输(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)技术由于无需电缆连接就能提供电源,在恶劣环境及不便使用电缆供电等应用场景中展示出了独有的优势,被广泛地应用于智能手机充电、新能源汽车... 详细信息

磁耦合谐振无线电能传输(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)技术由于无需电缆连接就能提供电源,在恶劣环境及不便使用电缆供电等应用场景中展示出了独有的优势,被广泛地应用于智能手机充电、新能源汽车充电、无人机充电、矿井水下设备供电、智能机器人供电和植入医疗设备供电等领域。然而,该技术目前仍然存在传输效率随着传输距离增大而降低、收发线圈发生错位后而引起传输效率变低等亟待突破解决的问题。电磁超材料作为一类新型的人工材料,其优异的电磁调控特性有望为解决无线电能传输系统中的效率问题提供新思路。因此,本文围绕电磁超材料的设计及其对MCR-WPT系统的传输效率和抗错位能力提升方面展开研究。首先,基于典型双线圈结构MCR-WPT系统等效电路模型、负折射效应及磁偶极子耦合理论,论述了电磁超材料改善MCR-WPT系统整体传输性能的可行性和有效性;其次,设计了一种具有较小尺寸的磁单负材料单元,通过在HFSS软件中创建仿真模型,并且基于S参数反演法获得其等效电磁参数,表明该单元在6.78MHz时的等效磁导率为-1+0.02j,具有明显的磁单负材料特性;再次,对常规系统中的收发线圈进行仿真分析及结构设计,并将磁单负材料应用于MCR-WPT系统进行整体系统仿真,经过对比分析得出了磁单负材料对磁场有汇聚和增强磁场均匀度的作用,此外两块磁单负材料板对系统传输性能的增强效果更好。最后,搭建了基于磁单负材料的6.78MHz无线输电系统实验平台,测试了磁单负材料板的放置数量和位置与系统传输效率之间关系的数据,接收线圈偏移距离和偏转角度与系统传输效率之间关系的数据。实验结果与仿真结论一致,验证了本文设计的磁单负材料能有效地提高系统传输效率及传输距离,同时对收发线圈之间出现的横向偏移及角度错位导致系统的稳定性能变差有着明显的改善作用。

关键词：电磁超材料无线电能传输磁单负材料磁场耦合谐振传输性能

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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航空电磁超材料雷电冲击放电特性

高电压技术 2023年第8期49卷 3526-3533页

作者：蔡力刘伟周蜜徐斐闫瑞生王建国雷电防护与接地技术教育部工程研究中心武汉430072 武汉大学电气与自动化学院武汉430072

随着航空电磁超材料在飞行器雷达天线罩的推广使用,其雷电防护问题亟待解决。针对方框型电磁超材料,使用冲击电压发生器、高速摄像机、普通摄像机,针对电磁超材料板的U50%冲击电压及放电路径开展试验,研究不同接地方式、不同电压极性的... 详细信息

随着航空电磁超材料在飞行器雷达天线罩的推广使用,其雷电防护问题亟待解决。针对方框型电磁超材料,使用冲击电压发生器、高速摄像机、普通摄像机,针对电磁超材料板的U50%冲击电压及放电路径开展试验,研究不同接地方式、不同电压极性的组合间隙及沿面放电特性。试验结果表明:方框型超材料沿面放电形貌受正、负极性电压的影响不大,表现为不规则的折线形放电路径,放电主通道并不唯一,同时存在流向另一接地位置的次级放电通道,越靠近放电附着点区域,次级放电通道越多,整个沿面放电形貌呈网状分布;雷电冲击电压下存在多条沿面主放电通路,组合间隙击穿前电磁超材料表面会产生沿面自放电通路,其沿面自放电通路为最终沿面主放电通路之一;组合间隙冲击放电流注发展过程的放电特性主要与电压极性相关,正极性冲击电压下由高压棒电极产生向下发展的下行流注,电磁超材料表面只有较弱的起晕;负极性冲击电压下分别产生对向发展的上、下行流注;雷电冲击电压下电磁超材料表面大量金属微结构单元阵列会产生上行流注和沿面自放电通路,其容易将雷电主放电通道引向超材料天线罩,导致分流条屏蔽失效。

关键词：电磁超材料雷电冲击电压沿面及组合间隙放电路径流注发展

航空电磁超材料沿面及组合间隙操作冲击电压放电特性

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电机与控制学报 2022年第5期26卷 46-54页

作者：蔡力刘伟周蜜李泉新王建国武汉大学电气与自动化学院湖北武汉430072

针对目前电磁超材料天线罩的雷电防护研究较少问题,设计定制十字交叉型电磁超材料,针对不同接地方式,并结合高速摄像机,开展电磁超材料不同极性沿面及组合间隙操作冲击放电试验。试验表明十字交叉型电磁超材料冲击击穿电压有明显的极性... 详细信息

针对目前电磁超材料天线罩的雷电防护研究较少问题,设计定制十字交叉型电磁超材料,针对不同接地方式,并结合高速摄像机,开展电磁超材料不同极性沿面及组合间隙操作冲击放电试验。试验表明十字交叉型电磁超材料冲击击穿电压有明显的极性效应,负极性冲击击穿电压是正极性的1.60~1.85倍,并且正极性击穿发生在波前,而负极性击穿发生在波尾。进一步研究了电磁超材料沿面及组合间隙冲击沿面放电特性,结果表明:就放电路径特征而言,正负极性无明显差别,放电路径单次放电拐点一般不超过两处,放电击穿路径只有一条明亮的主通道;就放电强度而言,负极性放电强度明显大于正极性;在流注发展过程中电磁超材料平板表面形成的自放电通路对最终沿面放电路径起决定性作用。

关键词：电磁超材料沿面及组合间隙操作冲击电压放电形貌流注发展极性效应

一种基于S型电磁超材料的高温温度传感器设计

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传感技术学报 2024年第3期37卷 389-395页

作者：张春丽吴倩楠翟荣锭刘雁飞李孟委中北大学半导体与物理学院山西太原030051 中北大学前沿交叉科学研究院山西太原030051 中北大学微系统集成研究中心山西太原030051 中北大学仪器与智能未来技术学院山西太原030051 中北大学仪器与电子学院山西太原030051

针对目前超材料温度传感器存在的量程小且灵敏度较低的问题,设计了一种碳氮化硅基的S型超材料的高温传感器。通过CST电磁仿真软件对超材料温度传感器进行模拟仿真,在其他结构参数一定的情况下,对金属条的长度、宽度、厚度、条间隙及基... 详细信息

针对目前超材料温度传感器存在的量程小且灵敏度较低的问题,设计了一种碳氮化硅基的S型超材料的高温传感器。通过CST电磁仿真软件对超材料温度传感器进行模拟仿真,在其他结构参数一定的情况下,对金属条的长度、宽度、厚度、条间隙及基板厚度等参数进行了设计与优化,确定了传感器结构的最佳尺寸,同时分析了传感器的谐振频率对温度的影响。结果表明,在28℃~1000℃下平均灵敏度可达5.674 MHz/℃。与之前报道的高温传感器相比,灵敏度提高了5倍,这种高灵敏度温度传感器可为航空发动机、武器装备等系统中的高温测试提供一种技术手段。

关键词：温度传感器电磁超材料碳氮化硅 S型高温传感器高灵敏度

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微波电磁超材料设计与应用研究进展

中国科学:物理学、力学、天文学 2023年第9期53卷 193-203页

作者：田宇泽金晶杨河林范绿蓉侯俊杰林海华中师范大学物理科学与技术学院武汉430079

电磁超材料在二十多年的发展历程中,引发了学术界和产业界的广泛关注,在军事、民用等领域扮演着重要的角色.电磁超材料可以突破传统电磁器件电磁响应的局限,具有自然媒质所不具备的电磁特性.电磁超材料对不同频段的电磁波均具备优异的... 详细信息

电磁超材料在二十多年的发展历程中,引发了学术界和产业界的广泛关注,在军事、民用等领域扮演着重要的角色.电磁超材料可以突破传统电磁器件电磁响应的局限,具有自然媒质所不具备的电磁特性.电磁超材料对不同频段的电磁波均具备优异的操控能力,进而演化出了多样化的电磁超材料功能器件.随着应用需求的不断提升,电磁超材料结构日趋复杂,功能趋向多元化.新材料与新工艺在电磁超材料中的融合应用不断涌现,以人工智能和优化理论为驱动力的超材料设计方法学研究蓬勃发展.本文结合近年来涌现出的研究成果和行业发展状况,简要总结了微波领域电磁超材料的发展应用态势.同时本文以近年知网论文数据库中收录的4949篇电磁超材料论文作为语料库,利用长短期记忆网络模型,从大数据角度,统计归纳了当前国内电磁超材料发展趋势.为从事本领域研究的科研人员提供了可资借鉴的方向展望.

关键词：电磁超材料吸波体传感器超材料天线可重构超表面

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光控电磁超材料研究进展

雷达学报 2021年第2期10卷 240-258页

作者：柏林张信歌蒋卫祥崔铁军东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室

电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调... 详细信息

电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点。但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等。所以,可调有源超材料越来越受关注。通过引入有源元器件,超材料的功能可通过外部激励信号进行动态调控,在实际应用中具有重要意义。目前常用的控制方式包括电控、温控、光控和机械控制等,其中光控具有可远程调控、无接触式控制、调制速度快以及结构简单等优点。该文概述了近年来光控电磁超材料的研究进展,从直流、微波、太赫兹和光频段4种不同频段分别介绍现有光控超材料和超表面的工作,重点介绍其工作机制和应用场景,并对这一快速发展领域进行总结和展望。

关键词：电磁超材料有源超表面光调控电磁波调控动态功能

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电磁超材料研究进展

科技导报 2016年第18期34卷 27-39页

作者：梅中磊张黎崔铁军兰州大学信息科学与工程学院兰州730000 东南大学信息科学工程学院毫米波国家重点实验室南京210096

简介了电磁超材料的定义、性质和分类,综述了电磁超材料研究的常用等效媒质理论、电磁参数提取方法、电磁超材料的具体实现方式、二维电磁表面及其机理、电磁超材料的典型应用等研究进展,展望了电磁超材料的发展趋势。

关键词：电磁超材料电磁超表面石墨烯等效媒质理论广义斯奈尔定律