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基于负折射率媒质的吸波材料设计与电磁特性研究

黄勇军  
【摘要】: 负折射率媒质(Negative Refractive Index Materials)是指同时具有负介电常数(ε0)和负磁导率(μ0)的人工合成材料,因其具有独特的电磁特性如负折射效应、逆多普勒效应(Reversals of Doppler Shift)、逆契仑可夫辐射(Reversals of Cherenkov Radiation)以及放大倏逝波(Enhancement of Evanescent Wave)等而受到广泛的关注。各种结构负折射率媒质的制备以及其在微波工程、军事雷达隐身、医学成像等领域的应用是近几年的研究热点。本学位论文基于国家自然科学基金项目“可控调谐型负折射率微波材料的合成方法及特性研究”的研究目标,对亚铁磁材料YIG-金属线阵列结构负折射率媒质的研制、电磁特性、吸波应用等进行了深入的研究,主要研究工作以及取得的创新性成果如下: 一.理论分析、电磁仿真、物理实验相结合地研究了亚铁磁材料YIG-金属线阵列结构负折射率媒质中两种媒质的相互作用关系,分析得出了有效媒质参数的理论表达式,提出了改进型YIG-PCB结构负折射率媒质的设计与制作方法,加工出了改进型负折射率媒质样品。实验测试结果显示该负折射率媒质在9 GHz有一明显的传输通带,其3 dB带宽为0.5 GHz。且该传输通带可随外加直流控制磁场的改变而改变,当外加直流磁场由2300 Oe增加到2700 Oe时,其传输通带中心频点由8.42 GHz增加到9.50 GHz,可调谐率约为2.7 MHz/Oe。当外加磁场为2300 Oe时,测试得出该负折射率媒质在8.3 GHz的折射角约为-32°,结果证实了该负折射率媒质设计方法的有效性。 二.理论分析和电磁仿真相结合地研究了等效磁导率和介电常数同时为-1时的亚铁磁材料YIG-金属线阵列结构负折射率媒质中的电磁波传播特性,分析了该种负折射率媒质中的隧道效应,探讨了其在微波器件中的应用。结果显示:在μ=ε=-1的负折射率媒质中可明显观测到隧道效应。另外,由此设计出的负折射率媒质滤波器在9.55 GHz-10.60 GHz频段内以很小的衰减(4 dB)传输电磁波,带外衰减达到30 dB;设计出的线性相移器在整个传输同带内的最大摆幅为10%。分析结果证实了负折射率媒质可广泛应用于微波毫米波工程领域。 三.理论分析和电磁仿真相结合地研究了一种基于亚铁磁材料YIG-金属线阵列结构的三通带电磁超材料以及一种物理可实现的THz频段负折射率媒质。提出了该两种媒质的设计方法并电磁仿真了其电磁波传输、反射和折射特性。仿真结果显示,三通带电磁超材料在7.1 GHz、10.9 GHz、15.5 GHz分别具有一个传输通带,且在相应的频带内其具有正-负-正的折射特性;而THz频带负折射率媒质在0.145 THz附近具有一带宽为8 GHz的传输通带。 四.理论分析和电磁仿真相结合地研究了基于负折射率媒质的宽频带微波吸波材料,分析了负折射率媒质与入射电磁波的相互作用关系,提出了以绝缘型亚铁磁材料YIG为基体,内嵌一维金属线阵列结构以构造出可调谐、宽频带、高吸波率的微波吸波材料的设计方法。电磁仿真优化出了达到阻抗匹配和吸波损耗时的各种材料参数和结构参数,吸波率最高达到94.4%。并提出了采用板状YIG材料和PCB板空间相重叠的方法来构造出可实现的微波吸波材料样品。


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