太赫兹超材料仿真设计与制备研究

设计了一种在近红外太赫兹波段产生电磁响应的超材料器件,该器件单元结构是由全对称的金属四开口谐振环与本征硅衬底组成.通过仿真模拟设计出合理的结构与尺寸的金属谐振环,达到想要的谐振效果.分析了表面电场强度与表面电流流向,以便了解电磁响应机理.通过光刻剥离工艺制备出四开口超材料谐振环,并基于光泵浦探测系统研究了太赫兹光谱透射...     

电磁超材料增强无线电能传输效率研究

将电磁超材料应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究,通过电磁超材料理论和仿真研究比较了负折射介质、磁单负介质和非正定磁介质对电磁波的聚焦效应。设计一种各向异性的电磁超材料,并将该材料应用于磁耦合谐振无线电能传输系统的仿真和实验中,研究该电磁超材料对磁耦合无线电能传输系统传输效率的增强。     

开口谐振环结构负折射率材料对电磁波偏振特性的影响研究

电磁波在经过负折射率材料以后,偏振状态会有所改变.对开口谐振环电磁响应特性了解的基础上,采用时域有限积分方法,分别研究了方形、六边形和圆形开口谐振环负折射率材料在不同频率处以及斜入射时对电磁波偏振特性的影响.仿真结果表明,不同的结构、频率和入射角度,电磁波偏振翻转的程度有所不同.研究结果可为电磁波偏振状态的调控提供一定的理论依据和借鉴.     

三维超材料的非线性电、磁响应特性

理论研究了埋入在非线性介质中的由金属线和谐振环构成的具有三维周期性结构的超材料的有效电、磁响应,计算了该种超材料的有效磁导率和介电常数实部和虚部随外场的变化关系.结果表明,这种超材料有效磁导率和介电常数的实部对外磁场的响应具有回滞效应.在一定条件下,这种结构的属性可在右手材料、电单负材料与磁单负材料之间转换,且这种转换可适当选择在某些特定频率范围内的外磁场强度的方式控制.     

基于手性超材料的太赫兹波非对称传输的研究

为了研究人工电磁超材料的太赫兹波非对称传输特性,设计了一种基于双层连续U形结构的人工电磁超材料,并利用有限元法数值仿真技术研究分析了其非对称传输特性,结果表明在谐振频率为2.9 THz时非对称传输系数可达0.77,由此可知此结构在太赫兹波段具有较好的非对称传输特性;同时对其结构参数进行了优化,选取出合理的结构参数以获得优异的超材料性能。基于双层连续U形结构人工电磁超材料的太赫兹非对称传输器具有结构简单、成本低、制备容易等优点,对实现太赫兹滤波器、太赫兹开关等超材料功能器件具有重大意义。     

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。     

加载惠更斯超表面相移层的高增益谐振腔天线设计

针对谐振腔天线因口径场相位分布不均匀引起的增益较低问题,设计了一款惠更斯超表面相移层,并将其加载到谐振腔天线上,用于修正谐振腔天线口径场的不均匀相位分布,从而实现高增益。该惠更斯超表面由平行和垂直于波传播方向的两组开口谐振环组成。两组开口谐振环分别与入射电磁波的磁场和电场谐振响应,从而影响电磁波的反射与透射性能。通过分别调节两组开口谐振环的尺寸,可以得到不同的电场与磁场谐振强度,从而实现超表面相移层的快速设计。为验证方法的有效性,设计了一款工作频率5.8 GHz的惠更斯超表面相移层,并将其应用于一款直径为180 mm的圆柱型谐振腔天线。对加载惠更斯超表面相移层的谐振腔天线进行了加工实测,其实测结果与仿真吻合良好。仿真和实测结果表明：所设计的相移层具有360°的相移范围,且透射系数幅值大于0.99;通过加载惠更斯超表面相移层,谐振腔天线的口径场相位分布更加均匀,其增益从原有的14.90 dB增加至18.31 dB,口径效率从25.9%提高至56.7%。     

含双质量谐振单元的声学超材料杆的纵波传播

为了探讨一种由2种组元周期排列构成的基体材料以及周期附加的双质量谐振单元构成的新型声学超材料杆的纵波传播问题,本文采用Bloch定理给出了其纵波色散关系的解析解。研究表明：令谐振单元的固有频率与Bragg禁带的截止频率重合有利于获得宽频禁带;双质量谐振单元的引入增强了声学超材料的可设计性,可用于获得多禁带。本文的研究结果拓宽了声学超材料的设计与应用。     

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.     

三维非线性异向介质的频率特性

为了实现异向介质的可调性,推导了埋入在非线性介质中的由金属线和谐振环构成的具有三维周期性结构的Metamaterial有效磁导率表达式,计算了Metamaterial的有效磁导率实部和虚部对外场频率的响应.结果表明,当外场频率与这种Metamaterial的线性本征频率相差越小时,材料的左右手特性的跳变点就越小,且在非线性区材料的磁响应呈现双稳特性,这种现象可能被用于实现光学双稳态和光学开关器件.     

可实现宽频隔声的全向通风铁路声屏障

针对现有铁路声屏障通风性能差和自重大的问题,提出新型铁路声屏障设计. 该结构是由螺旋通道和中空通路相互组合的超单元并联形成的,基于Fano共振机理实现螺旋通道和中空通路之间的耦合,能够对特定频带的声波能量实现高效阻隔,具有厚度薄、自重小、通风性能好等优点. 分析超单元结构对斜入射声波的隔离效果,对超单元结构进行参数优化分析,研究超单元数量对设计声屏障隔声性能的影响,对超单元结构进行实验验证. 研究结果表明,该结构可以对不同角度入射的声波实现宽频隔离;参数优化后的超单元结构可以有效控制轮轨噪声主频,已达到实际应用要求;超单元数量不会对声屏障的隔声性能产生影响;仿真与实验结果具有较高的一致性.     

惯性元件再平衡回路噪声整形机理研究

推导出检测噪声传递函数和驱动噪声传递函数,并分析检测噪声传递函数幅频曲线转折频率、直流增益、单位增益频率和高频增益. 结果表明,检测噪声传递函数具有低频衰减、高频放大的特征. 以石英挠性加速度计为例,分析摆性、检测结构增益、检测电路增益和转动弹性系数对检测噪声传递函数的影响. 结果表明,增大摆性、检测结构增益以及检测电路增益可以在全频段减小检测噪声传递函数的幅值,减小转动弹性系数可以在低频段减小检测噪声传递函数的幅值. 仿真分析结果验证了石英挠性加速度计检测噪声传递函数和驱动噪声传递函数的频谱特征,验证了摆性、检测结构增益、检测电路增益和转动弹性系数对检测噪声传递函数的作用机理,说明通过优化噪声传递函数可以减少惯性传感器的噪声.     

基于加加速度的地震模拟振动台控制技术（特约稿）

地震模拟振动台试验是工程结构地震反应模拟和抗震性能观测的直接有效的手段,但由于电液伺服地震模拟振动台系统具有复杂的非线性,当伺服阀90°相移频率与系统油柱共振频率比较接近时,伺服阀特性对振动台系统特性有较大影响,严重影响系统的有效频带范围。现有的电液伺服地震模拟振动台系统的有效频带多为0.4～50 Hz,不足以满足大比例缩尺结构抗震试验的需求。为减小现有电液伺服地震模拟振动台系统的伺服阀特性对系统性能的影响和拓宽振动台系统的有效频带,在三参量控制的基础上,将加加速度反馈信号和加加速度前馈信号引入控制环节,形成一种基于加加速度的地震模拟振动台多参量控制算法。对所提出的控制算法的控制效果进行了理论推导和系统仿真分析,揭示了加加速度反馈可降低系统油柱共振频率并减小伺服阀特性对振动台系统性能的影响,而加加速度前馈使得系统的有效频带由三参量控制下的0.35～54 Hz拓宽至0.35～64 Hz,表明所提出的基于加加速度的地震模拟振动台多参量控制算法明显改善了地震模拟振动台的控制性能。     

一种微型WLAN贴片天线的设计

针对微小型无线设备的无线局域网天线,在20 mm×20 mm的FR4介质基板上设计了一款5 mm×5 mm的微型贴片天线. 该天线的正面除了有U形辐射结构外,还添加了一端接地一端开路的2条一字形加载单元;天线反面的结构为正面加载单元的镜像,采用正面微带馈电方式. 实验结果显示,天线在2.4~2.483 5 GHz频带内具有良好的辐射特性,其电压驻波比能满足工程应用的需求,具有结构简单、紧凑,成本低且便于与有源电路集成的优点.     

二氧化碳相变致裂信号反应谱分析

为研究二氧化碳相变致裂过程对结构的影响,对现场试验得到的数据进行反应谱分析。首先将速度信号做快速傅里叶变换,分析其频谱特性,然后将速度信号直接微分,运用集合经验模态分解（EEMD）对其进行低通滤波去噪处理,提取主要特征频段的重构信号,获得清晰的加速度时程曲线,并将去噪后的加速度曲线作为输入信号,研究不同阻尼比下二氧化碳相变致裂信号反应谱。结果表明:二氧化碳相变致裂信号频率集中于低频,速度峰值与主频在安全允许范围内,适用于对振动敏感的环境;集合经验模态分解可有效抑制因对速度信号直接微分引起的高频振荡,信噪比可超过25 dB;二氧化碳相变致裂反应谱形态简单,峰值对应周期小,有利于结构安全;相对位移和相对速度反应谱峰值随着阻尼比的增大而减小,但峰值对应的周期不变,绝对加速度和标准加速度反应谱峰值在阻尼比不为0时相等,不受阻尼比影响;注意反应谱上对结构影响大的周期,可以在一定程度上保证结构的稳定性。     

特定消谐PWM在抑制相敏检波器谐波响应中的应用

为了提高相敏检波器的带宽,解决相敏检波器存在谐波响应的问题,通过分析各种不同频率信号输入时相敏检波器的输出情况,发现相敏检波器产生谐波响应的根本原因在于采用对称方波作为参考信号,提出了采用特定消谐PWM作为相敏检波器的参考信号来有效地抑制相敏检波器谐波响应的新方法。实验结果表明,相敏检波器的谐波响应被抑制了47dB以上,带宽上限提高了3倍。     

含共振单元的单相3维声子晶体设计及其带隙特性研究

局域共振型声子晶体具有低频段的弹性波带隙特性,在振动与噪声控制工程领域有着重要的应用前景。三维局域共振型声子晶体的结构形式目前主要是基于多组元材料体系,在面向工程实际的制造和应用方面存在局限。对此,本文提出一种可实现低频局域共振带隙的单相三维声子晶体结构,利用有限元方法计算了声子晶体的能带结构、振动模态和传输特性。结果表明：该结构在具有高频带隙的同时,可在归一化频率低于0.1的范围内打开相对带隙宽度超过20%的低频弹性波带隙。结构中球形质量单元和连接体的局域共振是该低频带隙产生的主要原因。结构材料属性的变化影响带隙频率值的实际大小,而结构几何参数决定带隙在整个能带结构中出现的相对位置。通过改变结构材料参数和几何参数,可以实现对低频带隙边界和带隙宽度的调控。带隙的进一步拓宽可以通过构造几何参数渐变的组合结构来实现。本文所提出的单相三维声子晶体结构可用于低频减振降噪材料和器件的设计开发。     

敷设约束阻尼薄壁圆柱壳的振动特性

为分析约束阻尼对薄壁圆柱壳振动特性的影响,应用哈密顿原理结合瑞利-李兹法求解敷设约束阻尼圆柱壳的动力学方程.得出自由振动时的固有频率、损耗因子的计算公式;应用模态叠加法计算圆柱壳上任意一点的频率响应.提出能量耗散系数,将其作为阻尼效果的评价标准,用来分析约束阻尼结构各参数对阻尼效果的影响,并与损耗因子进行比较.结果表明:约束阻尼可以有效地抑制薄壁圆柱壳振动的传递;在指定频带范围内能量耗散系数能够作为阻尼效果的评价标准;阻尼材料阻尼系数、约束层弹性模量、约束层厚度、阻尼层厚度均会对阻尼效果产生影响.     

双频带小型化频率选择表面

为了使频率选择表面空间滤波的特性能够广泛地应用到小型通信设备,必需一种谐振单元小、双频带滤波的FSS谐振单元作为接收端的天线罩.通过提出一种结构简单、尺寸小、厚度薄、具有双工作频带的贴片式频率选择表面,对该表面所对应的等效电路工作原理进行分析,研究其结构尺寸对电磁波传输的影响.HFSS仿真结果表明:采用该单元设计出的双频带频率选择表面,在8.2 GHz和11.3 GHz的S11系数均小于-30 dB,在两通带的相对带宽均大于10％,单元尺寸结构紧凑,相对于8.2 GHz的谐振频率仅为1/5波长(6.9 mm×6.9 mm),其介质板的厚度为0.1 mm.     

Design of Multi-band Small Antenna Based on Single Split-Ring Resonator

To use the single split-ring resonator(SRR)as a basic unit cell for small antenna with multi-band frequency response is proposed.The structure of antenna is consisted of a single spilt-ring resonator and a coupled microstrip line.The designed antenna is numerically optimized with CST Microwave Studio.The radiation properties of the antenna show that there are three frequency bands among which two bands are 1.3 GHz and 2.1 GHz ultra-wideband(UWB),respectively,where S11 is less than-10 dB.The gain at every fr...