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电磁超材料在微波吸波体与天线中的应用研究

熊汉  
【摘要】:电磁超材料(Metamaterials)是一种人工媒质,其结构尺寸小于外界激励电磁波的波长,拥有自然媒质所不具备的电磁特性。常规材料的电磁特性由组成该材料的原子和分子的属性所决定,而超材料使我们能够设计出我们想要的“原子”,一个著名的例子是众所周知的微波“隐形斗篷”,它获得这种奇异电磁特性来源于超材料所用的结构,而不是设计超材料所用材料的内在成分。由于它有很多潜在的应用价值,例如在天线、微波电路、吸波体等领域,早已引起了科学界的极大关注。本文围绕超材料在吸波体和天线的应用方面展开研究,主要研究内容概括为如下几点:1.设计和研究了两款超材料。第一款是单面风车型超材料,这类单面型结构具有制造简单、方便集成集总组件在结构表面来控制其左右手特性的优点。首先,从数值仿真出发,分别对该结构的等效介电常数、磁导率以及折射率进行参数提取。接着从左手频段和右手频段内分别取一个频点进行棱镜实验仿真,直观地显示负折射和正折射现象。同时还研究了结构参数与电谐振和磁谐振频点之间的关系。最后,用等效电路模型对其进行理论分析,得到等效磁导率的解析公式,并用该公式详细地解释结构参数的变化与磁谐振频率间的关系。所设计的单面风车型超材料左手带宽较小,才500 MHz,为了拓展带宽,设计了一款双面超材料。经过数值仿真和实验验证后发现,其左手带宽有大幅度的提高。2.设计和研究了一种双频、极化不敏感、宽角度的单层超材料吸波体。首先,分别用TE波和TM波研究该吸波体对入射角度的敏感性,并阐述当入射波的入射角度很大时吸收峰发生偏移的原因。随后,对该吸波体进行实验验证和理论研究。分别对吸收频点处的表面电流、电场强度和磁场强度分布情况进行分析,研究其吸波机理。最后,分别从金属的欧姆损耗和介质板的介质损耗两方面对这种吸波体进行损耗研究和讨论。这种吸波体的特点是:不管是TE波还是TM波,该吸波体都有很大的吸收角度。3.设计和研究了一款超薄、宽带、由多层结构构成的超材料吸波体。首先,对最上面的匹配层做了深入的研究,得到匹配层厚度与吸收率间的关系。接着,用理论详细地分析了吸波体的厚度与高频段的两个吸收峰成反比关系的原因。同时,对该吸波体的极化稳定性情况进行了研究,分别得到TE波和TM波入射情况下,该吸波体对电磁波吸收率跟入射角度以及频率间的关系图,并对图进行了分析。在吸波原理的研究上,分别采用反射相消原理和谐振吸收原理对吸收曲线进行研究。结果发现,在三个孤立的吸收峰的形成来源于谐振吸收,吸收谱线中间宽频带的形成是由电磁波的反射相消导致。4.设计和研究了两款超材料加载的小型化天线。从超材料单元研究出发,分别设计和研究了单环超材料和双环超材料结构,深入地研究了单环超材料的等效介电常数、磁导率和折射率跟结构参数间的关系。将所设计的单环超材料加载在天线的上端来降低天线的谐振频率,并用理论解释了天线谐振频率降低以及出现一个新谐振频点的原因。同时,还对天线谐振频率与单环超材料的等效折射率之间的关系进行了深入地研究,分析了天线的谐振频率与超材料折射率实部绝对值之间的关系。为使天线的谐振频率进一步地降低,最后设计了一款双环超材料加载天线。5.设计和研究了一种宽带端射超材料微带天线。所设计天线的特点在于带宽较宽,最大的辐射方向在馈线的相对方向而不像常规天线那样最大辐射方向垂直于贴片。首先,从二维新型周期性结构研究出发,计算出这种结构的色散特性曲线。接着用这种周期性结构来设计天线,对比它与参考天线的带宽特性,最后对所设计的宽带端射微带天线进行加工和测试。


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