基于超材料的太赫兹波吸波材料

超材料是一种人工设计的具有周期单元阵列结构的电磁材料,具有超常物理特性。基于超材料的太赫兹吸波材料在太赫兹技术领域有许多潜在的应用。简述了超材料吸波材料的理论基础,综述了国内外在单频、双频、多频带和宽带太赫兹超材料吸波材料领域的研究进展,并展望了太赫兹吸波材料研究的未来发展方向和趋势。     

分形吸波体设计及其在微带天线中的应用

基于Hilbert分形结构,设计了一种小型化、超薄、高吸波率以及无表面损耗层的超材料吸波体,该吸波体单元尺寸仅为0.071λ,厚度约0.02λ,吸波率达99.3％.将该吸波体与普通微带天线共形设计,制备了一种新型超材料天线.与初始天线相比,新天线的单站和双站带内雷达散射截面都有明显减缩,最大减缩达到7.2 dB,且天线辐射性能保持不变,证实了该吸波体具有良好的吸波效果.仿真和实测结果吻合得很好,表明该吸波体可以应用于微带天线的带内隐身.     

基于磁流变弹性体的超材料吸波器设计与研究

设计了基于磁流变弹性体的超材料吸波器,该吸波器主要由硅橡胶和羰基铁粉构成.其中,在吸波器的制备阶段通过施加不同的磁场阵列形成不同的周期性结构单元,进而在不同的宏观结构和微观结构的共同作用下实现吸波特性.通过COMSOL软件仿真分析所设计吸波器的性能,然后制备相应的实物并进行测试.结果表明:反射损耗的实测结果与仿真结果基...     

共形微带天线相控阵阵列的仿真优化设计

针对平面阵列天线的诸多缺点,设计了适用于工作频段34～36GHz的共形相控阵天线。依据共形微带天线阵列的设计思想及方法,选取了柱面微带贴片天线做阵列辐射单元,通过CST软件对天线的几何尺寸进行仿真和优化设计,得出了共形天线阵的各种性能指标。仿真结果表明：在该毫米波波段下设计的共形相控天线具有优良的性能,为今后设计出最优的天线阵提供了依据。     

基于微滴喷射成形的多层超材料吸波体设计与制造北大核心CSCD

超材料吸波体朝着多频、宽频的方向发展,多层结构是其增加吸收带宽的重要手段,但对于传统刻蚀加多层粘结的制备方法,其精度难以保证。提出一种基于3D打印技术中微滴喷射成形(MJM)技术制备多层超材料吸波体的新方法,可以一体化成形吸波体结构。首先开展4层吸波体方案设计及吸收率仿真,分析光敏树脂的介电常数/介电损耗、银浆电导率对吸波性能的影响;然后通过制备20×20单元吸波体样品,将实测数据与仿真数据进行对比。实测数据表明,在10.4~19.6 GHz频率范围内的吸收率大于90%,完全覆盖Ku波段,且与仿真数据高度一致,证实了采用MJM技术可以一体化成形多层超材料吸波体结构,减少装配误差,在隐身结构制造领域具有潜在应用价值。     

S频段领结型贴片吸波层的设计与实验研究

研究设计了一种S频段宽带领结型贴片结构的微波吸波层.从Floquet定理可得,电磁波照射到周期结构时其反射及透射波可分解为一系列Floquet模,周期结构尺寸的减小会使得高阶模成为衰减波并抑制其反射,这一现象有利于吸波层的设计.但由于减小单元尺寸限制了单元内部贴片的尺寸,不利于周期单元在较低频段谐振.基于天线理论,选择领结型结构作为周期单元贴片,设计出了一种宽带超薄型微波吸波层.通过仿真和样品测试,该吸波层的10 dB吸波率带宽覆盖整个S频段并达到90％,而其厚度小于频段中心频点自由空间波长的1/7.     

十字架型超材料吸波特性及机理研究

设计了一种十字架型电磁超材料吸波体,采用CST studio suite 2009 频域求解器提取S 参数进行仿真研究,并计算了其吸波率,在24.65 THz 和35.25 THz 得到两个吸收峰,吸收率分别为0.83 和0.997。改变材料结构尺寸,在7.3 THz 达到完美吸收,吸收率接近于1。将THz 波段的超材料吸波体结构尺寸放大1000 倍,在GHz 波段同样可以达到完美吸收,说明超材料吸波体可通过对结构尺寸调节改变吸收波段。另外研究了这种吸波体的吸收机理,发现吸收主要在第一层的十字架金属单元层,可用于Bolometer 探测器的设计。     

吸波材料强电磁环境效应研究

以高功率微波电磁脉冲为代表的强电磁环境使得吸波材料的使用环境发生了极大改变,常规吸波材料因其低功率容量已不适用于大功率微波器件。文章综述了吸波材料强电磁环境效应的研究进展以及作者团队在该领域的主要研究成果。分析了吸波材料强电磁环境效应作用原理,采用仿真与实测结合的方式研究了强电磁环境下吸波材料的失效模式。结果表明,强电磁环境下的击穿效应、热效应及非线性效应是导致羰基铁/碳粉填充吸波橡胶失效的主要原因,而吸波超材料的周期结构优化、介质层高导热特性均有利于表面电流分布的均匀性,进而改善强电磁环境效应。最后提出了高功率微波电磁脉冲环境下吸波材料研究发展展望。     

基于镜像射线跟踪法的电波暗室仿真设计

为提升暗室吸波工程的设计能力,运用镜像射线跟踪法对10 m 法电波暗室进行仿真设计,通过合理布置吸波材料,考虑一次反射和二次反射对静区的影响,计算了不同极化方式下静区的反射电平、归一化场地衰减和场均匀性。结果表明垂直极化和水平极化时,场地电压驻波比仿真与测试偏差小于2.3 dB;归一化场地衰减仿真与测试误差小于3 dB,场均匀性误差小于2 dB。仿真与测试结果吻合较好,各项指标均满足设计要求,验证了吸波材料布局的合理性及算法的可靠性。该仿真方法可应用于暗室静区性能评估,优化吸波材料布局,进而有效缩短设计周期。     

基于电偶极共振的极化独立宽带吸收超材料

基于电偶极共振设计了一种工作在W波段、对极化不敏感的宽带吸收超材料。宽带吸波超材料基于不同尺寸铜箔排列构成的周期阵列,在结构上高度对称。通过时域有限差分算法,对超材料在W波段的吸收性能进行仿真,通过电场和电荷分布探讨了导致共振吸收的物理机制。最后,利用印制电路板工艺加工实现了设计的超材料结构,并给出关于吸收性能的仿真与实验结果的对比。实验结果表明,超材料在W波段平均吸收率达到84.7%,与仿真结果接近。     

六边形环复合吸波超材料性能的等效电路分析方法

该文提出一种针对六边形环复合吸波超材料吸波性能的等效电路分析方法。基于六边形环谐振特性建立了等效电路模型,通过对六边形点阵分布的傅里叶分析,提出了等效分布周期参数,给出了基于模型尺寸的RLC参数提取方法。与全波仿真结果比较,所提出的等效电路模型对分析多种尺寸的六边形环复合吸波材料具有较好的适用性和准确性。通过样品制作和测量,进一步验证了该模型的有效性,最后实现了一款工作于1.7～5.7 GHz的宽带雷达吸波材料。     

基于完美吸波超材料的缝隙天线设计

为了改善波导缝隙天线的辐射和散射性能,设计了一种方形环结构的完美吸波超材料(Square LoopPerfect Absorbing Metamaterial,SLPAM),其厚度为0.0057λ,最大吸波率达99.9%,并将此材料作为波导缝隙天线的基板,制备了完美吸波基板波导缝隙天线。仿真和实验结果表明:相比普通波导缝隙天线,优化设计的完美吸波基板波导缝隙天线的定向性得到了明显改善,同时其带内雷达散射截面(RCS)得到了有效减缩,最大减缩值达15.7dB。     

Full-wave analysis and wide-band design of probe-fed multilayered cylindrical-rectangular microstrip antennas

The input impedance and radiation pattern of the probe-fed multilayered cylindrical-rectangular microstrip antennas (PMCMSA) are analyzed by using a novel approach which combines the conformal finite-difference time-domain (FDTD) and Gedney's unsplit version of the perfectly matched layer absorbing boundary condition method and the Green's functions in cylindrically stratified media. The near fields of such antennas and the current distributions on the patches are obtained by the conformal FDTD method numerically and then the modified spectral-domain Green's functions in arbitrary cylindrically stratified media are used to determine the radiation pattern. The effect of the small radius of the probe on the performance of antennas is investigated through the thin-wire algorithm in cylindrical coordinates. A simple design scheme of the probe-fed cylindrically stacked antennas is also proposed for increasing the impedance bandwidth.     

Finite difference time domain analysis of cylindrical coplanar waveguide circuits

There is a growing interest in using cylindrical transmission line structures in microwave applications. In this paper, the finite difference time domain (FDTD) method is used to characterize several three-dimensional cylindrical coplanar waveguide (CCPW) geometries. Specifically, a CCPW series stub and a three-section CCPW filter are studied both theoretically and experimentally. Moreover, CCPW gap is characterized and the FDTD results are compared to those obtained using conformal mapping techniques. Effective absorbing boundary conditions are employed to truncate the FDTD mesh at the end walls and the outer radial boundary.     

一种频率可重构微带天线的快速优化设计方法

该文针对目前频率可重构微带天线的优化设计常依赖于反复实验的现状,提出了一种快速有效的频率可重构微带天线优化设计方法,该方法将新型量子遗传算法与通用的空域矩量法结合,在计算阻抗矩阵时利用了直接矩阵操作技术,大大节约了计算时间。利用该方法,优化出一副可工作在十个甚至更多的窄频段的变频圆柱共形可重构微带天线,优化结果与相关软件结果的比较显示了该文方法的正确性及高效性。     

广义正交坐标系FDTD算法的准完全匹配层吸收边界条件

本文推导出了广义正交坐标系下的各向异性准完全匹配吸收层(QPML)边界条件,给出了直角坐标、圆柱坐标、保角变换柱形坐标的各向异性准完全匹配吸收媒质.数值计算结果证明了准完全吸收层的吸收效果.     

Design of transparent broadband double-sided absorbing metamaterial

By designing the ordered structure on the key physical dimensions, metamaterial can obtain extraordinary physical properties. The method gives transparent conductive absorbing metamaterial with broadband and high absorptivity. In this paper, a kind of absorbing metamaterial with indium tin oxide (ITO) glass substrate is designed. The design method of double-sided etched an open loop and linear metamaterial periodic structures is adopted. The thickness of the absorbing metamaterial is 2.5 mm. The research shows that the working bandwidth is between 8.9 GHz and 17.4 GHz, the absorption rate is 90%, and the transmittance of visible light is 85% on average. The absorbing metamaterial has wide application value to solve the problem of visualization and absorption characteristics.     

Programmable Granular Metamaterials for Reusable Energy Absorption

Designing metamaterials with programmable features has emerged as a promising pathway for reusable energy absorption. While the current designs of reusable energy absorbers mainly exploit mechanical instability of flexible beams, here is created a new kind of metamaterial for reusable and programmable energy absorption by integrating rigid granular materials and compliant stretchable components. In each unit cell of the metamaterial, the stretchable components connect the granular particles to maintain the integrity and control the deformation pattern of the material. When the metamaterial is subjected to an external load, the input energy is partially trapped as elastic energy in the stretchable components, and partially dissipated by friction between the granular particles, forming hysteresis between the loading and unloading force–displacement curves. Through tuning the structural design of the metamaterial, the pretension and stiffness of the stretchable components, and the size of and friction between the particles, a vast design space is achieved to program the mechanical behavior of the metamaterial, such as the load–displacement curve, the multistability, and the amount of energy dissipation. Experimental impact tests on a thin glass panel confirm energy‐absorbing capability of the proposed metamaterial. This design strategy opens a new avenue for creating reusable energy‐absorbing metamaterials.     

互耦自由度未知柱面共形阵列多参数联合估计

在互耦自由度未知条件下给出了柱面共形阵列多参数联合估计算法。针对柱面共形阵列中多参数相互耦合的难题,首先通过阵列结构设计,利用柱面共形载体单曲率特点,构建ESPRIT子阵,基于一维搜索与ESPRIT算法,实现了互耦自由度和信源俯仰角的估计;在此基础上,结合秩损理论和互耦矩阵的Toeplitz性质,估计出信源的方位角,并对可能出现的方位角模糊进行了分析,给出解模糊方法;最后利用时域ESPRIT算法,完成了极化状态和互耦系数的联合估计。该算法不需要任何互耦和极化的先验信息,也无需参数配对,估计精度高、分辨力强。计算机Monte-Carlo仿真验证了所提算法的有效性。     

基于超材料构建的PCB通信信道芯片无线互连通信研究

提出了一种基于蘑菇型电磁超材料构建的PCB(Printed Circuit Board)的芯片间/芯片内射频通信设计模型.该设计用单极子天线模拟芯片管脚,利用PCB介质作为通信信道,并填充一层超材料吸收多径传播中部分电磁波,降低天线回波损耗和改善天线之间相关度.分析电磁波在PCB介质内传播途径及超材料对其影响.对发射天线输入频率为20GHz不归零伪随机二进制信号,接收天线输出信号的眼图清晰端正.从频域和时域结果分析表明芯片-PCB无线互连可行,而且超材料能够明显改善通信信道而提高信号传输质量.