区间模型下声学超材料的可靠性优化

目前对声学超材料的优化设计都是基于确定性的物理模型,忽略了不确定参数对其超常声学性能的影响。针对这一现状,将区间模型引入声学超材料,研究不确定参数对声学超材料声强传递系数和负有效体积模量的影响;接着在此基础上,以声强传递系数为目标函数,以负有效体积模量为约束条件,构造区间模型下声学超材料的可靠性优化模型。数值结果表明,优化后的声学超材料即使受到不确定参数的干扰,仍能保守满足其可靠性约束条件,并改善其声强传递系数和负有效体积模量。     

（英）基于SU8的远红外超材料完美吸收器理论研究

设计了一种基于SU8介质材料的工作波段为20-30微米范围内的的多层超材料吸收器。该吸收器由金属颗粒周期阵列、介质间隔层和金属底层组成。利用LC模型和FDTD数值模拟方法,通过对SU8介质层厚度、金属颗粒阵列周期、金属颗粒尺寸等参数的优化,实现了对20-30微米波段范围内入射波的接近100%的完美吸收。并在上述研究基础上进一步设计了具有双层谐振腔的双模完美吸收器。通过数值模拟发现,由于SU8介质间隔层厚度的增加,上下两个谐振吸收器可以分别独立实现对特定波长的完美吸收。相应的特征共振吸收波长符合LC模型的预测。同时,数值模拟结果进一步证实了共振吸收频率与入射角度无关。该完美吸收机制可以归因于入射光在金属底层-SU8介质层-金属颗粒层所组成的谐振腔内多次反射吸收。     

基于H型超材料的小型化调频空间滤波器

基于超材料的相位补偿特性实现特定波段超材料滤波器设计。本工作通过变形传统的互补型开口谐振环,设计了一种小型化哑铃型缝隙结构超材料滤波器,通过二极管控制超材料的电磁特性在不同时间的空间分布形式,以实现空间滤波器中心频率可调。滤波器单元尺寸为5.0 mm×5.0 mm×0.8 mm,具有小型化的特点。仿真结果表明:-10 dB工作带宽为28%(9.2～12 GHz),回波损耗最小值为29 dB,插入损耗最大值为0.8 dB。测试结果表明:-10 dB工作带宽为25%(9.2～11.7 GHz),回波损耗最小值为20 dB,插入损耗最大值为1.0 dB。     

基于超材料设计的羰基铁低频复合吸波涂层研究

为获得低频宽带吸波材料,本文采用共沉淀和原位聚合技术制备了羰基铁/CoFe₂O₄/PANI三元复合材料,并以此为介质层,借鉴超材料思想,设计了一种基于超材料结构的羰基铁复合吸波涂层,改善了低频吸波性能。分析了超材料的结构设计对羰基铁/CoFe₂O₄/PANI涂层吸波性能的影响,并对赋予超材料结构后的复合涂层的吸波机理进行了研究和讨论。通过仿真优化发现,在电阻膜方阻值为10mΩ/□和镂空十字电阻膜图案尺寸达到最佳时,在相同厚度下赋予超材料结构后的复合涂层具有比单一羰基铁涂层更宽的吸收频带以及更低的吸收频率,在3.8-6.9GHz频段内反射率均小于-10dB。研究表明,将超材料结构融入到羰基铁涂层性能改进中,能够有效提升其低频吸波性能。     

K波段高增益超材料微带天线的拓扑优化设计

超材料微带天线的设计通常依赖经验,其中超材料基元的设计多以尺寸优化和形状优化为主。研究了常规超材料对微带天线增益性能的影响,发现其对增益性能的提升效果有限。提出了一种基于遗传算法的高增益超材料微带天线拓扑优化设计方法,对超材料基元采用整体设计的方法,以天线增益最大化为设计目标,以覆铜贴片方格子的有无为设计变量,建立了K波段(24 GHz)超材料微带天线的拓扑优化模型。进而基于遗传算法的求解策略,获得了一种新颖的超材料微带天线构型。仿真结果表明优化后的超材料微带天线侧向辐射得以抑制,其最大增益提升到10.5 dB,与普通微带天线相比性能提升了35%。同时通过改变覆铜贴片格子的布置规模对优化设计结果的收敛性进行分析,分析结果显示创新构型超材料微带天线设计结果是收敛的,且10*10方格子规模下的创新构型制备性价比最高。最后研究了超材料基元单独设计与整体设计的天线工作频率匹配对比,对比结果证实了超材料基元采用整体设计对于超材料微带天线拓扑优化是非常必要的。     

超材料宽带低散射技术研究进展

电磁吸波材料和外形设计等低散射技术被广泛应用于隐身、电磁屏蔽及无线通信等领域。相比于传统技术途径,超材料低散射技术具有更加灵活的设计和调控能力,因而在带宽拓展、厚度减低等设计要求上具有更好的发展前景。文章介绍了实现宽频带散射缩减的常用方案,并着重介绍了基于多谐振叠加、损耗调节以及漫反射原理的带宽拓展方法,并简要展望了低散射技术的发展趋势。     

针对交通环境减振的超表面型波屏障

针对轨道交通带来的环境振动问题,以表面波作为控制对象,通过在地表下周期浅埋填充管,设计了一种新式超表面型波屏障,并进行了系统的频散分析,传输特性仿真与实验测试,所得主要结论如下：由于填充管竖向共振与表面波间的强互相作用,表面波衰减域被打开,衰减域的作用频率及宽度与填充管的自振特性密切相关,可以通过材料与几何参数进行灵活调整;衰减域范围内,表面波得到了有效的控制,且随着周期数的增加,衰减域内减振效果逐渐提升,无论主、被动隔振,超表面型波屏障都可以起到良好的隔振效果;实验验证了超表面型波屏障减振的高效性,衰减域内平均插入损失可达9.8 dB,表面波向体波的模式转化是其主要作用机理;一定程度施工误差(≤10%)的引入不会影响衰减域内的减振效果,实验结果证明了超表面型波屏障减振具有高效性与鲁棒性;通过输入实测的地铁环境振动信号,超表面型波屏障应用于环境减振的可行性也得到了初步验证。超表面型波屏障具有减振高效稳定、设计灵活和施工便利的优势,在轨道交通环境减振领域具有良好的应用前景。     

基于石墨烯超材料的宽频带可调太赫兹吸波体

基于二维材料石墨烯,设计了一款宽频带可调谐超材料太赫兹吸波体。该吸波体由三层结构组成,顶层为石墨烯超材料,中间层为二氧化硅,底层为金属薄膜。仿真结果表明,当石墨烯的费米能级为0.7 eV时,该吸波体在1.11~2.61 THz频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为80.6%。当石墨烯的费米能级从0 eV增大到0.7 eV时,该吸波体器件的峰值吸收率可以从20.32%增大到98.56%。此外,该吸波体器件还具有极化不敏感和广角吸收的特性。因此,它在太赫兹波段的热成像、热探测、隐身技术等领域具有潜在的应用价值。     

基于双开口环型的太赫兹超材料传感器设计

设计了一款可用于检测材料折射率及厚度的双开口环型太赫兹超材料传感器,其结构由双开口方环与圆环嵌套的超材料结构和聚酰亚胺衬底两部分构成.当太赫兹波垂直入射超材料表面时,该传感器结构在0.8～1.8 THz范围内形成三个高Q值谐振峰(中心频率分别为f1,f2和f3).通过探讨超材料结构表面电流分布与三个谐振峰形成的关系,观察到超材料结构对入射太赫兹波的不同响应特性导致产生不同的表面电流分布.此外,还对该传感器在折射率传感和厚度传感方面的应用进行了探究.在待测物厚度一定的情况下,该传感器在谐振频率f1,f2和f3处的传感灵敏度分别可达170,103和119 GHz/RIU,均具有优越的传感特性,可利用其多谐振峰进行高灵敏度折射率传感.这种高灵敏度的多谐振峰折射率传感器可以检测到待测分析物的微小变化,在生物化学检测领域具有广阔的应用前景.     

基于超材料的多频微带天线的设计

天线在通信系统中起着关键作用,但单一频段的天线已经无法满足如今的需求,因此多频天线的研究非常必要。文章提出了一种基于共面波导馈电的多频微带天线。该微带天线将刻蚀在基板导电表面的环形缝隙作为初始结构,之后在基板的不同位置加载电偶极子、超材料互补开口谐振环（CSRR）、交指电容加载环型谐振器（IDCLLR）及U形槽,从而实现微带天线的多频谐振。研究结果表明,天线能够同时在无线局域网（WLAN）波段（2.42~2.51 GHz）、全球微波互联网（WIMAX）波段（3.63~3.74、5.45~5.66 GHz）、卫星通信业务上行频（3.94~4.08 GHz）、国际移动通信系统（IMT-2020（5G））通信波段（4.84~4.98 GHz）、卫星通信业务下行频（5.88~6.24 GHz）和X波段（7.19~7.85 GHz）7个频段内谐振。使用网络分析仪对天线实物的回波损耗进行测试,测试结果与仿真结果基本吻合,具有良好的工程意义。