超材料是一種新型的人造材料,由亞波長(zhǎng)周期性結(jié)構(gòu)組成,具有許多非凡的電磁特性。近年來(lái),由于與傳統(tǒng)技術(shù)相比,超材料在太赫茲波段的應(yīng)用中具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),因此引起了越來(lái)越多的關(guān)注。在各種太赫茲超材料器件中,太赫茲超材料吸收器對(duì)太赫茲技術(shù)的研究起著重要作用。相較于傳統(tǒng)吸收器的吸收特性受制于組成材料固有的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,超材料吸收器可以通過(guò)靈活設(shè)計(jì)周期結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸,來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻段的選擇性吸收,從而引起了研究人員的重點(diǎn)關(guān)注。雖然太赫茲超材料吸收結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)結(jié)構(gòu)制備完成后其幾何形狀將固定不變,因此很難對(duì)其吸收特性進(jìn)行調(diào)制,從而限制了其應(yīng)用范圍。雖然到目前為止,研究人員已經(jīng)提出了多種調(diào)制方法,但是大部分已有方法往往制備工藝復(fù)雜且集成困難,難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此,探索更易于制備且集成度高的可調(diào)太赫茲超材料吸收器一直以來(lái)是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文基于本課題組前期所開發(fā)的氣壓驅(qū)動(dòng)裝置,利用其所具有的易于制造和集成優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了四種可調(diào)超材料結(jié)構(gòu)。它們均是通過(guò)將不同設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)和氣壓驅(qū)動(dòng)裝置集成在一起,以實(shí)現(xiàn)不同的吸收調(diào)制能力。其中,具體的可調(diào)超材料結(jié)構(gòu)組成如下:(1)具有特定圖案的金屬結(jié)構(gòu),其布置在氣壓驅(qū)動(dòng)裝置的懸浮膜表面;(2)氣壓驅(qū)動(dòng)腔,其通過(guò)懸浮膜進(jìn)行密封進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣壓驅(qū)動(dòng);(3)連續(xù)金屬層,其位于氣壓驅(qū)動(dòng)腔底部。在調(diào)制過(guò)程中,通過(guò)控制氣壓驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的壓強(qiáng)使懸浮膜產(chǎn)生相應(yīng)的形變,以此改變膜上金屬結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)超材料結(jié)構(gòu)吸收特性的調(diào)制。本文使用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件,通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)的可調(diào)太赫茲超材料吸收器的機(jī)械和電磁特性進(jìn)行了固體力學(xué)和電磁場(chǎng)仿真,驗(yàn)證這些超材料吸收器的可調(diào)性。此外,本文還通過(guò)研究不同氣壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下,超材料結(jié)構(gòu)在各個(gè)諧振吸收頻率處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布,據(jù)此對(duì)可調(diào)太赫茲超材料吸收器的吸收原理和調(diào)制機(jī)理進(jìn)行了分析。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;O441.4
【部分圖文】：

2 可調(diào)太赫茲超材料吸波器理論分析電路模型與參數(shù)計(jì)算方便的用等效電路模型來(lái)解釋超材料吸收器的工作機(jī)理，參考其它將利用矩形條超材料吸收器結(jié)構(gòu)來(lái)解釋其中的電磁諧振現(xiàn)象[63]。對(duì)尺寸不同的各種超材料結(jié)構(gòu)，等效電路模型對(duì)其工作原理的定性解至能夠定量計(jì)算相關(guān)參數(shù)。本文所用到的矩形條吸收結(jié)構(gòu)的模型如的上下兩側(cè)是空氣層，上下方空氣層的厚度分別是入射距離和接收為三層，圖中最上層為金屬陣列，由矩形金屬條按照周期性排列。電導(dǎo)率為零，介電常數(shù)的虛部為負(fù)數(shù)，對(duì)入射的電磁波進(jìn)行吸收。層，通常與頂層金屬條使用相同金屬材料和厚度。電磁波垂直于結(jié)方向沿矩形條長(zhǎng)軸方向。

可以看成是無(wú)線寬的導(dǎo)線，所以其電容和電感可以忽略不計(jì)。因此，矩形條吸收結(jié)構(gòu)的等效電路模型如圖2-2(b)所示，該電路的諧振頻率也就是吸收器的吸收峰所在的頻率，具體的計(jì)算公式為： = ( )。圖 2-2(a):矩形條表面電流和電場(chǎng)分布，(b):矩形條的等效電路圖2.2 完美吸收器阻抗匹配理論阻抗匹配是指在信號(hào)傳輸過(guò)程中，負(fù)載阻抗和信號(hào)源內(nèi)阻抗?jié)M足匹配關(guān)系。最初來(lái)源于電路理論，在直流電路中，當(dāng)負(fù)載電阻很大或很小時(shí)，電路相當(dāng)于開路和短路，只有當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，電路的輸出功率才達(dá)到最大；在交流電路中，不

華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2.4 本文中超材料的調(diào)控方式本文所用到的對(duì)超材料進(jìn)行調(diào)控的方法是氣動(dòng)調(diào)制，根據(jù)超材料吸收器的典型結(jié)構(gòu)來(lái)合理的設(shè)計(jì)適合該調(diào)制方法的超材料結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變氣壓使介質(zhì)層受力并發(fā)生形變，進(jìn)而改變超材料的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的電磁特性的調(diào)制，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 2-3 所示。

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