基于特征基函数的柱面共形吸波超材料的优化设计

针对吸波超材料与柱面载体共形时其吸波性能变差的问题,提出了一种非均匀单元方案及其优化设计方法.在柱面共形设计中,根据吸波超材料在无曲率变化方向上的周期性建立周期边界条件.基于特征基函数法的子块划分个数通过周期边界条件进行压缩,降低了矩阵方程求解维度,提高了优化设计速度.通过遗传算法优化,得到一组非均匀单元设计参数,并进行加工和实测.仿真和实测结果表明,所设计的非均匀单元方案改善了柱面共形对吸波超材吸波性能的影响,在2.8~8.0GHz频段内实现了良好的雷达散射截面积减缩特性.     

基于电流变液的宽带可调超材料吸波体设计

为将超材料吸波体更好地应用于生产生活中,文中设计了一种基于电流变液的宽带可调超材料吸波体。通过在超材料吸波体中加载电阻器和介电常数电可调的电流变液实现宽带吸收和吸收频带可调。仿真结果表明,吸波体在8.296~15.128 GHz之间的吸收率超过了80%,在11.5~15 GHz之间的吸收率超过了90%,实现了电磁波的宽带吸收。随着电流变液外加电场强度的增加,其吸收频带逐渐往低频发生移动,实现了吸收频带的调控。此外,仿真证实,由于吸波体结构单元具有旋转对称性,其吸收特性具有极化无关性。     

一种带宽展宽的等离子体超材料吸波体的设计

为了在TE波下获得带宽可展宽（11GHz~14GHz频带内）且可调谐的吸收曲线，提出了一种新型超材料吸波体，其周期性结构单元采用蜂窝状特有的六边形结构。对该吸波体的参量分析图进行了计算，研究了变量g和d的数值不同时，对吸波体吸收频带及吸收带宽的影响，并解释了蚀刻"十"字形结构吸波体带宽展宽的成因。结果表明，该吸波体在9.17GHz~9.5GHz低频频域的吸收率达到90%以上，当不同的等离子体谐振区域被激励时，可以实现吸波体的分时分频域吸收以及改善吸波体的吸收性能，改变变量g和d可以实现对吸收频带的动态调控；可以通过在方形结构中蚀刻"十"字形结构的方式拓宽高频频域的吸收带宽，其在12.08GHz~13.91GHz频域的吸收率高于90%，改变变量s可以明显展宽吸收频带，且该吸波体对入射电磁波的角度不敏感。该吸波体的设计思路为拓宽吸波体的吸收带宽提供了一种有效的方法。     

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。     

Design and analysis of an ultrathin triple-band polarization independent metamaterial absorber

In this paper, an ultrathin triple-band polarization insensitive metamaterial (MTM) absorber has been presented for C-band applications. The proposed structure is explained as a combination of two absorbers, named as Absorber-I and Absorber-II. It exhibit 91%, 98.9% and 99.5% absorptivity at 4.2 GHz, 7 GHz and 7.4 GHz frequencies respectively. Absorber-I and Absorber-II are individually responsible for the origin of two separate frequency bands at 4.2 GHz and 7 GHz respectively. Further, mutual coupling between Absorber-I and Absorber-II is responsible to generate one more absorption band at the frequency of 7.4 GHz. The fourfold symmetric nature of the proposed unit cell provides polarization insensitivity phenomena. The absorbing mechanism of the designed absorber has been explained by two methods. One is by plotting input impedance of the absorber. Another one is by analyzing the EM wave propagation inside the structure. The proposed absorber has been fabricated and simulation results are experimentally verified.     

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。     

可用于农药传感的多带太赫兹超材料吸收器

多带太赫兹超材料吸收器是响应、操纵和调制太赫兹波的重要光子元件。本文基于周期性分裂环谐振器结构构建了一种多带太赫兹超材料吸收器。模拟和实验测试显示,在横磁(TM)极化情况下该超材料吸收器对0.918 THz和1.581 THz处的入射太赫兹波呈现出近似完美吸收。进一步,基于器件共振吸收峰的介电敏感特性,研究了负载不同浓度的多菌灵、三环唑、百草枯、塞苯隆4种农药溶液后超材料吸收器的传感性能,获得器件对4种农药的检测灵敏度分别为：1.06 GHz/ppm、0.65 GHz/ppm、0.67 GHz/ppm、2.07 GHz/ppm。结果表明该器件可实现对微量农药的传感检测,为今后食品质量安全控制提供了新的思路。     

具有宽带特性的超材料设计与分析*

分别提出具有宽带负磁导率特性的圆盘结构超材料和具有宽带双负特性的互联圆盘结构左手材料。对任意极化的垂直入射波,圆盘结构超材料可在8.71GHz到15.19GHz的频段上产生负的磁导率,而互联圆盘结构左手材料则可在6.04GHz到7.40GHz的频段上产生双负特性。通过有限元仿真、本构参数提取、表面电流分布计算、结构参数扫描等方法,对圆盘结构进行了详细分析。结果表明,该结构通过外加磁场激励起的电流环路构成磁谐振回路,进而获得负磁导率特性。利用无限划分的方法,分析了该结构实现宽带特性的原理,推导了等效的磁谐振频率和品质因数的计算公式,并给出其等效电路结构。通过参数扫描,分析了贴片半径、基板介电常数、损耗特性和入射角大小对负磁导率特性的影响规律。对互联圆盘结构左手材料,在提取其等效本构参数的基础上,着重分析了电响应特性,详细推导了等效电等离子体频率的计算公式。     

三波段超材料吸波体及其优化*

基于超材料的电磁谐振原理设计了一种三波段的超材料吸波体.该吸波体由电环谐振器和金属线组成.仿真结果显示,该谐振器有3个明显的吸收峰.在8.06GHz时,吸收率达到了94.02％;在4.76GHz时,吸收率为79.02％;而12.3GHz时,吸收率则是73％.在此基础上,利用一种结合了连续蚁群算法和差分进化算法的新型优化算法对该结构进行优化,使得该结构在4.9GHz和11.85GHz附近吸收率达到95％以上,可以灵活地实现特定频率处的高吸收率.     

A thermally tunable terahertz metamaterial absorber

A thermally tunable terahertz metamaterial absorber (MA) with InSb embedded in a metal-dielectric-metal structure is proposed. The transmission and tuning properties of the proposed metamaterial absorber are analyzed for the temperature ranging from 160 K to 350 K. The simulated results show that the maximum absorption of the absorber is nearly 99.8% at a full-width at half-maximum (FWHM) of 38 GHz, and the absorption frequency can be dynamically tuned from 0.82 THz to 1.02 THz.     

糖果型电阻膜宽带超材料吸波器的设计

提出了一种糖果型电阻膜宽带超材料吸波器。该吸波器的单元结构采用电阻膜-介质-电阻膜结构,其中顶层电阻膜为糖果型, 介质层由多种材料叠加而成, 介质层材料从顶至底依次为PET、FR-4、PMMA 和PET。CST 软件仿真结果表明本吸波器吸收率的峰值可达100%,吸收率超过99% 的频带宽度约为2.5 GHz, 超过90% 的频段能够完全覆盖X 波段, 部分覆盖Ku 波段,相对带宽为70%。随着电磁波入射角度的变化, 吸收峰所对应的中心频率稳定, 能够实现对相应频段的完美吸波,并且具有宽带吸波特性。     

Multi-band polarization insensitive metamaterial absorber with dual cross-wires structure

A five-band metamaterial absorber (MMA) based on a simple planar structure is proposed. It utilizes different areas of a single unit cell to match impedance, and produces different absorptive frequencies. Numerical calculation shows that the MMA has five different absorption peaks at 3.78 GHz, 7.66 GHz, 10.9 GHz, 14.5 GHz and 16.7 GHz, and their absorption rates reach 95.5%, 98.6%, 95.7%, 96.6% and 99.8%, respectively. The proposed structure is polarization insensitive for transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) incident waves. Also, the absorptive characteristics over large incident angles are examined. In addition, we analyze the absorption mechanism by the surface current density and power flow density distributions. This simple structure provides a way to design multi-band MMA, and also saves the cost of fabrication.     

基于电阻膜的超宽带超材料吸波体设计

为满足宽带电磁隐身需求,提出了一种完全覆盖C～Ka波段、部分覆盖S和U波段的超材料吸波体. 吸波体由四层不同方块电阻的方形电阻膜及泡沫介质基板构成,多层电阻膜结构有效地向两侧拓宽了吸收带宽. 为了分析吸波体的电磁吸收机理,建立并分析了该吸波体的精确等效电路模型. 仿真结果表明,在3.16～51.6 GHz(相对带宽为176.9%)工作频带内,对TE和TM波均能实现88%以上的吸收率,并且对入射角度具有稳定性. 制作、加工并测试了超材料吸波体,实测结果与等效电路计算、全波仿真结果均具有较好的一致性,表明该吸波体在电磁隐身领域具有重要的应用价值.     

镍锌铁氧体/炭黑填充环氧树脂基吸波性能研究

以环氧树脂为基制备了Ni—Zn铁氧体／炭黑双层结构复合材料吸波平板,由具有良好阻抗匹配的表面层、高吸收层组成（总厚度控制在6mm之内）。采用矢量网络分析仪对其在4～18GHz频段内的吸波性能进行了测试。结果显示,随炭黑质量分数的增加,吸收层的吸波陛能呈上升趋势,在炭黑质量分数达到35％时,在4．2GHz处出现吸收的峰值,此时,优于-6．00dB的有效频宽为5．8GHz。     

频率选择表面谐振特性在玻璃钢结构吸波材料中的应用研究

研究了频率选择表面(FSS)的谐振特性对玻璃钢(FRP)结构吸波材料吸波特性的补偿提高作用。为了提高FRP在8~11 GHz频段内的吸波特性,利用有限元法仿真设计了圆环孔径型以及双方环贴片型两种不同图形样式的FSS,并用自由空间法对其谐振特性进行了测试,最后利用FSS谐振特性对FRP在8~11 GHz频段内的吸波特性进行了补偿优化。结果表明,利用FSS在对应频段内的谐振特性,能够将FRP在8~11 GHz频段内的反射率全频段降至–10 dB以下,从而大幅度提高了FRP的雷达吸波特性。这为玻璃钢结构吸波材料的隐身化研究开辟了一条新的途径。     

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.     

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.     

微波辐射峰值吸收频率对原油组分的影响

利用微波辐射降低原油粘度是一种新的高效处理方法,微波降粘效果取决于油样吸收微波的能量,油样对微波的吸收率取决于微波频率,因此油样最大能量吸收率所对应的微波频率定义为峰值吸收频率。基于微波二端口网络模型,利用自行设计的微波辐射实验设备进行研究,精确测量了待测油样的峰值吸收频率,并详细分析了频率对原油组分的影响。结果表明:在3.9 ~6.5 GHz 的扫描频率下,油样在频率为5.8 GHz 时出现第1个吸收频率且能量仅剩69.9%,在6.2 GHz 时出现第2 个吸收频率且能量仅剩36.4%,该频率为峰值吸收频率;运用GCMS分析经过5.8 GHz 和6.2 GHz 微波辐射后,轻组分(C7-C14)分别增加了7.6%、8.7%,重组分(C16 及以上碳数)分别减少12.4%、13.5%,原油组分发生明显的改变。研究结论为微波辐射技术在石油行业运用提供了重要的参考,证明了该技术具有良好的应用前景。     

热处理对羰基铁粉磁性能和吸波性能的影响

为了改善羰基铁粉的微观结构和吸波性能,对羰基铁粉吸收剂在氮气氛下进行了热处理,热处理温度为300℃,热处理时间为30 h,研究了羰基铁粉的磁性能和在2～18 GHz的吸波性能。以热处理前后羰基铁粉作为吸收剂制备了单层吸波涂层,涂层的厚度为1.2 mm时,热处理羰基铁粉吸波涂层在10.2～15.4 GHz反射率R小于-10 dB,反射率小于-10 dB的频宽为5.2 GHz,反射率小于-5 dB的频宽为10 GHz;最大吸收峰在12.8 GHz,反射率R为-22.68 dB。磁性能研究表明,热处理后随着矫顽力的增加,在2～18 GHz羰基铁粉的微波吸收峰向高频移动,而且吸收峰变宽,吸波性能得到大幅提高。