多频和宽带超材料吸波体设计与研究

【摘要】：超材料是一种人工合成的复合材料,具有自然界中常见材料所不具备的超常的物理特性,在诸多领域有着巨大的应用价值。超材料吸波体作为超材料的一个分支,近些年来发展迅速。由于其在辐射防护、电磁兼容和雷达隐身领域的不俗表现,受到了科研人员的广泛关注。本文主要围绕新型超材料吸波体的多频化和宽带化两个方面展开研究,设计提出了两种新型超材料吸波体,主要的研究内容和成果如下:针对舰船等平台的电磁兼容问题设计了一种基于双缝金属片结构的多频超材料吸波体,该吸波体结构简单,吸波性能良好,仿真结果显示在4.64 GHz、8.67 GHz、13.93 GHz和18.53 GHz处,吸收率分别达到99.99%、99.95%、99.94%和93.50%。吸波体结构单元很薄,仅有0.72 mm,分别为各个吸波频点对应工作波长的3.3%、6.3%、10.0%、13.3%。为了说明该吸波体的吸波机理,分析了各个吸波频点处的表面电流,给出了各个频点的谐振模式,又提取了吸波体的等效阻抗,利用阻抗匹配理论来说明高吸收率的成因。接着利用有损和无损介质基板以及铜和完美电导体的不同组合,研究了该吸波体的能量损耗方式。最后分析讨论了结构参数的变化对该吸波体吸收率的影响,并提出了一种五频吸波体的设计方案。针对X波段雷达隐身设计并实验制备了一种加载集总电阻的金属环形宽带高吸收率超材料吸波体,仿真结果表明吸收率大于90%的吸波频带为8.4-13.6 GHz,基本覆盖X波段,相对吸波带宽为47.3%,吸收率大于99%的吸波频带为10.3-13.1 GHz,相对吸波带宽达到23.9%。通过研究吸波峰值处的表面电流分布以及提取吸波体的等效阻抗,分别从仿真角度和理论角度阐述了吸波体的吸波机理,另外又研究了吸波体能量损耗的主要方式。随后给出了吸波体的等效电路模型,结合电路理论给出了吸波宽带化的成因。接着讨论了吸波体的极化敏感特性和宽入射角特性,并分析了各个结构参数的变化对吸波体吸收率的影响,最后制备了吸波体实验样品进行了实验验证。