一种左、右手材料结构吸波体吸波特性研究

提出了一种空气／左手介质／右手介质／金属的双层吸波体结构，引入左手材料做匹配层，利用传输线模型与计算机仿真方法考察了左手材料各个参数变化对吸波性能的影响．仿真结果表明：左手材料各个参数适当的选择对提高吸收率起着重要作用；在给定参量条件下，左手材料层厚度最佳值为1mm；随着左手材料层厚度的变化，吸波体的吸收峰值将降低且峰值对应的频率也将分别向低频或高频移动．     

非线性左手材料中的差频耦合

基于非线性电磁理论,推导了无耗非线性左手材料中差频耦合波方程,由此方程分析了相位匹配条件下信号波与差频波的反向能量转换过程及其空间分布．发现有限厚度的非线性左手介质板能够得到比右手材料更大的信号波和差频波能量输出．因此可利用非线性左手材料制备更加小型化的微波放大器,并通过参量调节来控制材料的左、右手特性,从而实现信号波输出方向可调的小型微波放大器件．     

涂层介质参量的优化设计及偏差

通过对涂型吸波材料内电磁波传输损耗机理的研究,提出了单涂层吸波材料优化的设计的两项材料,此外,研究了一系列相关参数间的作用规律,讨论了涂层介质参量在偏离匹配条件的前提下对涂层吸收性能的影响,这对研究吸波的性质具有一定的意义。     

雷达吸波材料在Salisbury屏优化设计中的应用

为了解决传统Salisbury屏吸波性能问题,将雷达吸波材料作为Salisbury屏的隔离层,替代了经典Salisbury屏的隔离层介质,以提高Salisbury屏的吸波性能。通过Matlab软件的网格方法进行讨论和设计,设计出较为合理的电磁参数匹配规律。研究表明,站在全局的高度讨论问题,可使参数的设计符合全貌分析方法的要求,从而有效地解决了特殊强调某一电磁参量所产生的片面性影响。     

双频窄带超材料吸波体的设计

为了降低吸波体的雷达散射截面,实现完美吸波,利用超材料的电磁谐振特性,设计了一款开缝双环型结构吸波体。得益于超材料的LC谐振,该结构在1.59和4.06GHz具有超强吸波特性,在谐振频点处,超材料吸波体的某些区域相当于一个电磁波收集器,将能量限制在吸波体内,再转化成热能。经计算验证,该吸波体结构在1.59、4.06GHz的雷达散射截面(RCS)分别为-24、-23dB,远低于传统金属表面结构,能实现理想吸波。     

一种双面型宽频带的左手材料设计研究

针对目前左手材料普遍存在的谐振频率低、带宽窄和高损耗的问题,本文基于谐振型左手材料理论,设计了一种双面型宽频带左手材料结构。该结构将螺旋对称形金属片与十字形金属片分别放置在介质基板的两侧,形成一个左手材料单元,在2个左手材料单元顺序排列条件下,实现最佳谐振性,为了验证所设计的材料结构是否具有左手特性,采用高频仿真软件进行电磁仿真,同时采用Matlab软件与传输反射法(nicolson-ross-weir,NRW)进行计算。研究结果表明,该材料在3.37～5.87GHz范围内,具有谐振特性,满足低损耗要求;在2.5～4.8GHz范围内,介电常数和磁导率同时为负,实现了材料的左手特性。该研究具有一定的实际应用价值。     

一种准确测量介质参量的试验方法

研制吸波材料,必须进行介质参量的测量,为此,设计了波导测量系统,在稳频、稳幅及电路匹配条件下,对介质参量进行测量,从理论和实验上得出了“短路”、“开路”情况下反射系数的振幅／Г／的表达式及其与试样ｄ／λεｇ的关系曲线,通过误差分析,得出了准确测量介质参量时试样的厚度,这对于获得性能优越的吸波材料有一定的理论意义。     

多频复合结构超材料吸波器的设计

为了降低物体的雷达散射截面,实现对电磁波的吸收,利用超材料的电磁特性,设计了一款多频复合结构超材料吸波器。通过改变超材料的等效介电常数和磁导率,在空气中实现了吸波器与电磁波阻抗的匹配,并将电磁波束缚在器件内部转化为热能。仿真结果表明,该吸波器在3.68、5.96、8.45GHz频点电磁波的吸收率分别为99.9%、97%、99.5%,对不同的电磁波极化方向呈现不敏感性,同时在电磁波宽角度入射时仍具有较高的吸收率,其厚度远低于传统的吸波材料。     

形貌对羰基铁/Fe-Si-Cr复合材料吸波性能的影响

为有效提升吸波材料的电磁吸收强度和有效吸收带宽,采用球磨法对球状Fe-Si-Cr进行扁平化处理,通过机械共混法将不同形貌Fe-Si-Cr和羰基铁粉(Carbonyl iron powder, CIP)复合,研究不同质量比对复合材料电磁参数和微波吸收性能的影响。实验结果表明,大长径比可以提高材料的介电常数和磁导率,并使反射率峰值向低频移动。片状Fe-Si-Cr和CIP的低频吸波性能优于球形粒子。实验制备的复合材料中,样品I的最大反射损耗为-45.92 dB,有效吸收带宽为1.5 GHz。样品L的最大反射损耗为-22.11 dB,有效吸收带宽大于6.2 GHz。吸波剂的形貌对材料的电磁吸收性能有显著影响。将不同形貌的CIP和Fe-Si-Cr按不同配比复合后,可以得到不同频率下性能优良的吸波体。利用阻抗匹配函数可以从理论上预测出反射损耗峰值对应的吸波剂厚度和频率。双层吸波材料相比于单层吸波材料,其有效吸收带宽更大,可以通过改变匹配层、吸收层的厚度来获得不同频率下吸波性能优良的吸波体,更易满足新型吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。     

基于铁氧体制备的泡沫吸波材料性能

为了研究铁氧体的电磁性能以及铁氧体引入量的质量分数和样块厚度对材料性能的影响,以玻璃和陶瓷造粒料为基料,炭黑为发泡剂,引入铁氧体,经过球磨、烧结、发泡、退火工艺后制备出泡沫吸波材料.结果表明:900℃处理对铁氧体的电磁性能无明显影响.铁氧体引入量的质量分数为5%和10%的吸波性能优于铁氧体为15%和20%引入量的吸波性能;研究初步显示,该结果是由于铁氧体的引入影响多孔材料的泡孔结构.铁氧体引入量的质量分数为10%时,材料的吸波性能随着样块厚度的增加而增大;样块厚度为50 mm时,材料的有效吸收带宽(反射率小于-10 d B)达18 GHz,反射率低至-23.4 d B.     

单轴各向异性左手平板波导的导模特性研究

为了研究单轴各向异性左手材料波导的传输性能,对单轴各向异性左手平板波导的导模特性进行了研究.推导了该波导的导模特征方程.对导模的快慢波特性进行了研究,发现单轴各向异性左手平板波导的非表面波模与各向同性左或右手材料平板波导的不同,它既可以成为快波模,也可以成为慢波模;非表面波偶模存在一个截止频率;表面波模都是慢波模.对表面波模特征方程有或无解的情况进行了研究.详细讨论了该波导的电磁参量与表面波模特征方程解的关系,发现有些情况下,对于同一频率,表面波可以存在两种模式.证明了波导的导模之间具有正交关系.     

泡沫吸波材料结构对吸波性能的影响

为了研究吸波材料结构与吸波性能的关系,以无机泡沫吸波材料作为基体,采用多层复合研究阻抗匹配特性对吸波性能的影响,当材料为"透波层/吸收层"的2层复合结构时,在2.0~18.0 GHz频段反射率均小于-10.0dB,且于12.7 GHz处出现最大衰减峰为-21.5 dB.采用角锥和锥台处理研究材料表面构造对吸波性能的影响,结果表明:表面处理可以明显提高材料吸波性能,且角锥处理优于锥台处理.5×5阵列角锥的有效吸收带宽(反射率小于-10.0 dB)为15.3 GHz,反射率在9.4 GHz处到达最小值为-43.4 dB;8×8阵列角锥的有效吸收带宽(反射率小于-10.0 dB)为18.0 GHz,平均反射率达-34.5 dB.     

用FDTD法分析冷等离子体模型左手材料填充对同轴线截止特性的影响

左手材料的研究是近年来的科研热点．电磁波在左手材料中的传播特性成为研究的主要方向之一．给出了柱坐标系下冷等离子体模型左手材料改进后的时域有限（FDTD）差分格式．利用得到的FDTD差分格式数值计算了不同厚度、不同折射率冷等离子体模型左手材料分别部分填充同轴线后TE模的归一化截止波数,并与正常材料部分填充进行比较．结果显示：左手材料部分填充同轴线后,其TE模截止波数随填充厚度和折射率绝对值的增大而增大,与正常材料填充的结果正好相反．展示了左手材料具有奇异的电磁特性。为左手材料的研究提供数据基础．     

左-右手系材料界面上的表面波

利用严格的电磁理论证明2种偏振入射都能在各向同性的负折射材料与正折射材料界面上激发表面波,并推导出了相应表面波的传播波矢和激发条件．针对电磁波在非线性左手系材料中的传播性质,研究左、右手系材料界面上非线性TE表面波的传播行为,分析表明：2种界面上的非线性TE表面波均存在频率通带和禁带．     

左手材料及其在微带天线中的应用

介绍了左手材料(LHM)的概念及其基本电磁特性,采用HFSS软件,设计并仿真研究了一种在聚四氟乙烯微带介质基片两面分别腐蚀出带状周期性排列金属杆和开口圆形谐振环(SRRs)的LHM材料,将该材料覆盖于普通矩形微带天线上,能使微带天线的电压驻波比带宽提高约80%,增益也相应提高1.7 dB,同时天线的前向辐射增强而侧向辐射明显减弱.     

极限值电磁参数材料及其在一维光子晶体结构中的应用研究

文章提出了极限值电磁参数材料的概念,证明了在含零介电常数分层介质结构中及把无穷大折射率材料设计到一维周期结构中,将会出现新的光子隧穿模式的结论,提出了如何实现和控制电磁波在极限值电磁参数材料组成的一维周期结构中的传输,如何把极限电磁参数材料和其他功能材料结合成具有特定功能的新型结构材料的关键问题,并针对性地给出研究方法,即：首先研究这种新的光子隧穿效应产生的条件和特点,然后把这种新的光子隧穿效应与有关功能材料相结合,总结出新的传输规律。文章提出的把由介电常数和磁导率负值、近零、近无穷大材料组成的一维光子晶体的研究构成一个统一的整体,拓展超材料的应用范围,促进超材料在物理学、光学及相关交叉领域的发展。     

单轴各向异性左手材料的电磁特性

左手材料是近几年兴起的一种新型材料.以Maxwell方程为基础,通过理论计算,对光轴与界面成一定角度的单轴各向异性左手材料的一些电磁特性进行了研究.推导了这种材料中E偏振波和H偏振波的色散方程.对电磁波从各向同性右手材料入射到单轴各向异性左手材料时的折射和全反射现象进行了分析,得到了发生负折射和反常全反射的条件.推导了这种材料层的消逝波的反射系数和透射系数,发现当满足特定条件时,随着材料层厚度的增加,消逝波的透射率被指数倍放大.最后对这种材料层的偏振分束特性进行了研究,得到了实现偏振分束的条件.     

Design of structural left-handed material based on topology optimization

An effective method to design structural Left-handed material(LHM) was proposed. A commercial finite element software HFSS and S-parameter retrieval method were used to determine the effective constitutive parameters of the metamaterials, and topology optimization technique was introduced to design the microstructure configurations of the materials with desired electromagnetic characteristics. The material considered was a periodic array of dielectric substrates attached with metal film pieces. By controlling the arrangements of the metal film pieces in the design domain, the potential microstructure with desired electromagnetic characteristics can be obtained finally. Two different LHMs were obtained with maximum bandwidth of negative refraction, and the experimental results show that negative refractive indices appear while the metamaterials have simultaneously negative permittivity and negative permeability. Topology optimization technique is found to be an effective tool for configuration design of LHMs.