本文選題：電磁超材料　切入點：耦合機理　出處：《電子科技大學》2016年博士論文

【摘要】：電磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一種自然界不存在的具有超常電磁學和光學特性的結(jié)構型材料,其主要由人工合成獲得,在材料學、電磁學、光學等物理領域具有極其重要的研究價值,亦在電子電路、無線通信等工程領域具有廣泛的應用前景。從21世紀初首個微波頻段的電磁超材料實現(xiàn)后至今,電磁超材料技術已成為國內(nèi)外學術界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點而受到持續(xù)廣泛的關注。近15年以來,已報道的電磁超材料合成方法主要基于諧振金屬環(huán)、加載傳輸線等周期結(jié)構實現(xiàn)。然而,傳統(tǒng)電磁超材料合成技術研究并未考慮其諧振單元內(nèi)部以及相鄰單元之間的相互作用,其呈現(xiàn)的超常電磁學／光學特性只是多個諧振單元等效平均效應,電磁超材料單元內(nèi)部及單元之間存在的各種耦合互作用機制及效應未被研究和開發(fā)利用。因此,在電磁超材料的合成方法、設計實現(xiàn)和應用研究等方面,還需廣泛深入地研究電磁超材料單元內(nèi)部以及單元之間的耦合互作用機理,探索控制其耦合效應及特性的有效方法和途徑,充分挖掘和發(fā)揮超材料的獨特電磁特性,實現(xiàn)其更廣泛應用。本論文在深入研究電磁超材料中單元諧振結(jié)構內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用機理及其特性控制方法之基礎上,獲得電磁超材料諧振頻率、諧振幅度等特性調(diào)諧可控的技術途徑。采用機械調(diào)節(jié)單元諧振金屬環(huán)內(nèi)部結(jié)構和單元位置改變耦合互作用效應的方法,設計實現(xiàn)了X頻段諧振頻率及幅度可調(diào)可控型電磁超材料、及基于這種超材料的單頻和雙頻可調(diào)諧帶阻濾波器；組合應用延長單元結(jié)構的等效電長度、減小超材料結(jié)構的周期長度等方法,設計出了S頻段電小尺寸吸波超材料；通過改變電磁超材料中雪花狀金屬諧振單元的各分支等效電長度,設計出了X頻段單頻、雙頻及多頻吸波超材料；采用鐵氧體介質(zhì)-常規(guī)雙頻電磁超材料相互層疊方式,設計出了在C-X頻段內(nèi)可調(diào)諧的多頻電磁超材料。本論文的主要研究工作及創(chuàng)新貢獻如下：1.采用等效電路分析法及鏡像原理,深入研究了矩形波導內(nèi)電磁超材料中金屬開口諧振環(huán)單元內(nèi)部、各單元之間、單元與其鏡像結(jié)構之間的耦合互作用機理及效應；通過數(shù)值仿真與實驗研究,分析了單個、兩個、多個金屬開口諧振環(huán)單元在矩形波導內(nèi)的諧振頻率、諧振幅度等特性及其可控調(diào)節(jié)方法,設計研制出X頻段諧振頻率及幅度可調(diào)可控型電磁超材料。采用機械調(diào)節(jié)矩形波導內(nèi)金屬開口諧振環(huán)的開口方位、金屬開口諧振環(huán)-矩形波導壁的距離等方法控制電磁超材料中金屬開口諧振環(huán)單元內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用強度,進而調(diào)控電磁超材料的諧振頻率、諧振幅度等特性,研究設計出X頻段單頻和雙頻可調(diào)諧帶阻濾波器。實驗研究結(jié)果表明調(diào)節(jié)矩形波導內(nèi)金屬開口諧振環(huán)單元數(shù)量、諧振環(huán)的開口方位、金屬開口諧振環(huán)-矩形波導壁的距離,獲得了諧振頻率可調(diào)諧帶寬達到中心頻率的7.5%。這種機械調(diào)節(jié)金屬開口諧振環(huán)加載矩形波導式帶阻濾波器工作頻率的方法具有結(jié)構簡單、功耗低等特點,可廣泛用于微波毫米波通信系統(tǒng)。2.采用等效電路法研究了電諧振金屬環(huán)單元內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用效應,分析了在電諧振金屬環(huán)單元外觀尺寸不變條件下降低電磁超材料諧振頻率的機制,采用在電諧振金屬環(huán)環(huán)內(nèi)延長環(huán)長度、減小超材料中電諧振金屬環(huán)構成的二維陣列的周期長度、在電諧振金屬環(huán)周期陣列上加載介質(zhì)覆蓋層等方法,有效地降低了電磁超材料的諧振頻率;基于FR4介質(zhì)設計出S頻段電小尺寸吸波超材料,吸波超材料中電諧振金屬環(huán)單元外觀尺寸僅為工作波長的1/37,其對寬入射角入射的電磁波達到了超過93%的吸波效率,這類吸波超材料可廣泛用于降低陣列天線、微波電路與系統(tǒng)等內(nèi)部耦合串擾的效應。3.采用電磁特性數(shù)值仿真方法研究了雪花狀電諧振金屬環(huán)內(nèi)各分支之間的耦合互作用機理、各分支的等效電長度對諧振頻率的影響,分析了雪花狀電諧振金屬環(huán)單元構成的電磁超材料產(chǎn)生單頻、雙頻、多頻諧振的結(jié)構參數(shù)條件,設計出基于雪花狀電諧振金屬環(huán)的單頻、雙頻及多頻X頻段吸波超材料,實驗測試了該X頻段吸波超材料的電磁特性,測試結(jié)果表明改變雪花狀電諧振金屬環(huán)單元內(nèi)主軸、副軸的等效電長度能有效調(diào)節(jié)吸波超材料的工作頻率和轉(zhuǎn)換工作模式。4.基于等效媒質(zhì)理論,研究分析了鐵氧體介質(zhì)-常規(guī)雙頻電磁超材料相互層疊結(jié)構中鐵氧體、雙頻電磁超材料中單元結(jié)構之間的互作用機理及效應,設計出鐵氧體介質(zhì)-常規(guī)雙頻電磁超材料相互層疊構成的C-X頻段可控調(diào)諧型多頻電磁超材料,理論分析與數(shù)值仿真結(jié)果表明這種電磁超材料具有三個可調(diào)諧的負磁導率工作頻段,其可用于設計實現(xiàn)可控調(diào)諧型多頻吸波超材料、隱身斗篷、天線等新型光電器件與系統(tǒng)。本論文通過對電磁超材料中結(jié)構單元內(nèi)部、各單元之間的耦合互作用機理及效應的深入研究,獲得了調(diào)控電磁超材料的諧振頻率和諧振幅度的技術方法及應用途徑,設計研制出基于超材料的機械調(diào)諧式微波帶阻濾波器、電小尺寸S頻段吸波超材料、工作頻率及模式可控的X頻段吸波超材料等新型可控多頻電磁超材料及微波器件,其在軍事和民用領域具有廣泛的應用前景。
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【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB34;O441

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