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宽频带超材料吸波体的设计及其特性研究

师小强  
【摘要】:超材料是一个新生的领域,超材料具有奇特的电磁特性,这些特性不同于天然的或传统的材料,因此成为人们研究的热点。超材料主要包括光子晶体、左手材料、电磁带隙结构、人工磁导体等。超材料的性质主要取决于其设计的单元几何结构,通过调节结构单元,可以改变超材料的介电常数和磁导率,以达到实现对电磁波调控的目的。左手材料具有负介电常数和负磁导率的特性,利用这些性质实现完美透镜,逆Doppler效应等。吸波材料通过实现阻抗匹配,这样使电磁波在材料的表面不被反射,使电磁波能大量的进入到材料的内部,然后通过介质损耗和电磁谐振损耗把电磁波的能量转化为热能消耗掉,达到吸收电磁波的目的。而实现阻抗匹配则要通过调整结构的参数,使介电常数和磁导率发生改变,达到所需的匹配条件。伴随着科技的进步,新型超材料吸波材料正逐渐成为超材料的主要研究方向。 本文主要做了以下的工作:采用商业软件CST微波工作室设计了两种超材料吸波体结构,开口圆环结构和同心圆环结构,系统的研究了其在25-35GHz波段的吸波性能,几何结构参数的变化对吸波性能、吸波频带位置等的影响;其次,通过频带叠加效应把开口圆环和同心圆环放在同一和介质板上,研究其性能,同时也对其阵列结构进行了研究分析,同时,也设计了多层的叠加实验。在25-35GHz内通过仿真实验得到开口圆环的S参数,在30GHz处吸收率达到86.5%,带宽为2.62GHz;同心圆环超材料吸波体在28.6GHz处吸收率达到86%,带宽为3.5GHz,同样具有宽频带高吸收率的特点,并且在大小缩小1000倍之后,拓展了其在THz频率范围内的吸收率,在26.23THz处吸收率达到99.7%,带宽为4.26THz,实现完美吸收。通过组合开口圆环和同心圆环的结构,在29.7GHZ处吸收率达到99.9%,吸收带宽为3.1GHz,将结构缩小1000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,在26.86THz处吸收率达到96%,带宽为4.8THz。通过多层结构的数据仿真发现其吸收曲线发生了微小的改变,研究结果表明设计结构具有宽频带、高吸收的特点。该结构能够灵活的对介电常数和磁导率进行调节而实现高吸收。


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