十字环型左手材料单元结构设计与仿真

提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.8-6.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.     

垂直入射条件下厚金属环结构的负磁导率与左手材料行为

用矩形波导法实验研究了微波垂直入射于具有一定厚度的金属铜圆环结构的微波电磁响应行为.结果表明,当金属铜环的厚度增加到一定值时,在中心频率为145GHz处出现透射禁带,并且相位在透射禁带处发生跃变.采用双各向异性媒质理论计算了铜圆环结构的磁导率随频率变化关系,在透射禁带处磁导率为负.对厚金属圆环与金属线一一对应组合的样品,微波沿环面垂直入射时测量到左手透射通带和相位超前,通带带宽达到15GHz,强度为-21dB. 关键词： 负磁导率 垂直入射     

垂直入射条件下厚金属环结构的负磁导率与左手材料行为

用矩形波导法实验研究了微波垂直入射于具有一定厚度的金属铜圆环结构的微波电磁响应行为.结果表明，当金属铜环的厚度增加到一定值时，在中心频率为145GHz处出现透射禁带，并且相位在透射禁带处发生跃变.采用双各向异性媒质理论计算了铜圆环结构的磁导率随频率变化关系，在透射禁带处磁导率为负.对厚金属圆环与金属线一一对应组合的样品，微波沿环面垂直入射时测量到左手透射通带和相位超前，通带带宽达到15GHz，强度为-21dB.     

雷达波吸收剂的包覆改性设计

从电磁场理论出发，建立了包覆改性吸收剂等效电磁参数模型，初步得到了磁性吸收剂经介电改性后外包覆层和内层材料相对体积分数对损耗性能和特性阻抗的影响规律；以此为基础，进行了包覆改性吸收剂的结构设计；采用溶胶-凝胶法制备了包覆改性吸收剂，实验测试了样品的电磁参数，同理论预测结果进行了比较，表明理论预测的电磁参数频谱特性同实际测试结果比较接近. 关键词： 包覆改性吸收剂 等效电磁参数     

磁电耦合超材料本构矩阵获取方法的研究

单负(仅介电常数或仅磁导率小于零)超材料以及由导线-开口谐振环组成的双负超材料本构参数的提取通常采用传统的S参数方法. 由于磁电耦合超材料存在交叉极化现象, 仅用介电常数和磁导率两个本构参数无法准确描述其电磁特性. 传统的S参数提取方法一开始就假定超材料仅具有介电常数和磁导率两个本构参数, 所以采用该方法提取磁电耦合超材料本构参数存在明显局限性. 将磁电耦合超材料中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过推导平均电通密度和磁通密度与外加电磁场的相互关系, 从理论上获取了磁电耦合超材料2×2 的本构参数矩阵, 确定了磁电耦合超材料这四个本构参数与磁元件的磁导率、电元件的介电常数、空间色散项和耦合系数之间的关系解析公式, 进而获得了折射率理论计算公式. 利用该折射率公式对折射率提取值进行了非线性拟合, 发现提取值和理论值之间的误差很小, 这个结果很好地验证了所给出的本构矩阵解析式和折射率公式的正确性. 根据拟合结果, 获得了磁电耦合超材料本构矩阵中四个电磁参数的频率响应曲线. 所提出的磁电耦合超材料本构矩阵参数获取方法将为研究磁电超材料中电元件和磁元件的耦合现象提供重要的理论参考.     

蜂窝结构吸波材料等效电磁参数和吸波特性研究

根据强扰动理论,在长波长近似条件下推导出蜂窝结构吸波材料等效介电常数和等效磁导率的计算公式.电磁参数计算结果表明,蜂窝结构吸波材料等效介电常数和等效磁导率均小于吸收层的介电常数和磁导率,但等效介电常数的降幅更大,从而使等效介电常数更接近于等效磁导率,这正是吸波材料波阻抗匹配设计所需要的.反射率计算结果表明,不同的蜂窝高度,吸收层对应一最优厚度,使蜂窝结构吸波材料的反射率最低.这些结果对于蜂窝结构吸波材料设计具有一定的意义. 关键词： 蜂窝结构吸波材料 等效介电常数 等效磁导率 反射率     

一种基于金属开口谐振环和杆阵列的左手材料宽带吸收器

用数值仿真在微波X波段研究了金属开口谐振环和杆阵列这一最基本的谐振结构.通过合理的参数调节,这种结构在10.91GHz附近可以表现出高达98%的吸收率,并且半高峰宽达到3.5GHz.用散射参量提取法计算其有效电磁参数,发现在谐振频率附近其介电常数、磁导率和折射率的实部均为负值.相比于传统的左手材料,这种结构的电磁参数在谐振区域均具有较大的虚部,是形成高吸收率的根本原因.本文的左手材料吸收器在电磁加热、电磁隐身等领域具有许多潜在的应用.     

同时实现介电常数和磁导率为负的H型结构单元左手材料

基于用一种结构同时实现材料介电常数和磁导率为负的思想，提出了H型结构单元左手材料模型.采用矩形波导法测试表明，H型结构单元在微波频率范围出现左手透射峰，并且可以由参数t对左手特性区域进行调控.同时利用相位法、棱镜折射法和散射参量法从实验和理论证明了在左手透射峰区域材料的折射率为负值，介电常数和磁导率亦同时为负.相对由金属开口谐振环与金属线两种结构组合实现的左手材料，H型结构集磁谐振与电谐振于一体，结构简单、制备方便，对微波器件左手材料表现出更多的优越性.     

基于双负介质结构单元的零折射率超材料

以连通长杆加树枝结构为基本单元模型,制备出折射率为零的超材料,并研究其电磁特性.首先考察了连通长杆加单级树枝的情况, 调节结构单元的几何参数可使其在频率f =9.5 GHz处实现有效介电常数和有效磁导率同时从负值趋于零点, 从而得到折射率n=0.同时也研究了单级树枝长度及夹角对零折射率超材料电磁参量的影响. 最后考察了树枝结构为二级和三级的情况,发现通过调节各单元的结构参数,均能得到在同一频率点处介电常数和 磁导率同时为零的零折射率超材料.     

基于变换光学的椭圆形透明聚集器的设计研究

基于麦克斯韦方程组在不同坐标系下具有形式不变性以及变换光学理论, 通过设计材料的本构参数(介电常数和磁导率)来引导电磁波的传播, 提出了具有电磁透明和电磁聚集两种功能的新型电磁器件-椭圆形透明聚集器的设计方法. 电磁波透明体不会阻挡电磁波的传播并且能够与斗篷内部进行交互; 电磁波聚集器是当电磁波入射到该装置上时, 电磁波能够被设计的装置按照要求集中到一个区域或者一个点, 实现电磁波能量的集中. 本文利用压缩变换和扩展变换推导出了这种电磁器件中各层的相对介电常数和相对磁导率的张量表达式, 并利用基于有限元算法的电磁仿真软件对该电磁器件进行了全波仿真验证, 得到了入射波从各个不同方向入射时磁场z 分量的分布图, 仿真结果证实了该设计方法和电磁参数的正确性. 最后还讨论了电磁器件存在损耗时的情况, 当损耗逐渐增大时, 器件的功能在一定程度上受到了削弱. 本文的设计方法为其他新型电磁器件的设计提供了一种新的思路.     

Microwave absorption properties of the Ni nanofibers fabricated by electrospinning

Ni nanofibers with an average diameter of about 100 nm were synthesized by a simple and cost-effective electrospinning technology. The nanofibers have a polycrystalline structure and each nanofiber is composed of fine particles. The complex permittivity and permeability properties of Ni nanofibers composite have been measured in the frequency range of 1–15 GHz. The double-resonance behavior of microwave magnetic permeability is observed. Natural resonance peak happens at 4.0 GHz with the contribution of shape anisotropy. The second resonance peak around 12.5 GHz originates from exchange resonance effect. The permeability spectra were fitted with the Landau–Lifshitz–Gibert equation. The minimum reflection loss of the Ni nanofibers composite reaches ?35.4 dB at 1.3 GHz with a matching thickness of 8.4 mm, which shows promising application of the Ni nanofibers composites in microwave absorber.     

Electromagnetic and microwave absorption properties of carbonyl iron and carbon fiber filled epoxy/silicone resin coatings

The microwave electromagnetic properties of carbonyl-iron particles as magnetic absorber and carbon fiber as conductive absorber filled insulating epoxy/silicone resin coatings were investigated. The complex permittivity of the coatings increased while the complex permeability remained almost constant in the frequency range of 2–18 GHz, when the carbon fiber content was increased and the carbonyl-iron content kept constant. The minimum reflection loss of the coatings shifted to the lower frequency region by increasing the carbon fiber content or coating thickness. When the content of carbonyl iron was 65 wt% and carbon fiber was 2 wt%, the reflection loss below −10 dB can obtain in the frequency range of 8–18 GHz with coating thickness being 1 mm.     

基于等效介质原理的宽角超材料吸波体的理论分析

目前,很少有文章就如何实现宽角度吸波材料进行详细的理论分析和设计指导,设计宽角度吸波材料仍然是一件很困难的事情.本文基于等效介质理论对带有反射地板的单层介质超材料吸波体进行较为详细的理论分析.从基础电磁理论出发,推导TE波(横电波,电场方向与入射面垂直的平面电磁波)和TM波(横磁波,磁场方向与入射面垂直的平面电磁波)照射下吸波体的反射系数,分析实现宽角度吸波效果所需的等效电磁参数,为宽角度超材料吸波体的设计提供了理论基础.此外,论文还理论分析了实现宽带宽角吸波等效电磁参数所要满足的条件,并做了计算检验.结果表明,当介质等效电磁参数按照特殊曲线随频率发生变化时,理论上能实现宽带宽角的吸波效果.     

具有横向磁晶各向异性的钴纳米线的微波吸收性能

使用电化学脉冲沉积法制备了磁晶各向异性易磁化方向(c轴)垂直纳米线长轴方向的钴纳米线.受到磁晶各向异性、静磁相互作用等因素与形状各向异性相互竞争的结果,纳米线阵列的磁滞回线显示出较弱的磁各向异性.此外,在2—18 GHz频率范围内,纳米线/石蜡复合材料的介电色散谱的虚部在5 GHz处有一个主峰,在10 GHz附近有一个较弱的峰;德拜弛豫特性和材料的电导率对这两个峰的形成均有贡献.同时,其磁导率色散谱的虚部在频率为6.1 GHz处有一个主峰,在10 GHz以上有两个较微弱的峰. 前一个峰源于自 关键词： 钴纳米线 介电色散谱 磁导率色散谱 微波吸收剂     

高浓度纤维增强材料介电特性计算方法

针对复合材料的微观结构非均匀和各向异性特点带来的数值方法计算慢、内存消耗大的问题,利用均匀化方法计算纤维增强复合材料的等效电磁参数.采用了纤维低体积添加比至高体积添加比的迭代方法,同时提出了一个描述材料微观结构的修正的特征长度,将现有的均匀化方法推广至非准静态(微波频段)条件下高纤维浓度情况.提出的修正的均匀化模型可直接用于反射系数、屏蔽效能等计算,其屏蔽效能与实际微观结构复合材料的数值仿真结果进行了对比,验证了提出的等效电磁参数计算公式的有效性和频率适用范围.     

Enhancement of Heat-Resistance of Carbonyl Iron Particles by Coating with Silica and Consequent Changes in Electromagnetic Properties

Silica-coated carbonyl iron particles(CIPs) are fabricated with the Stober method to improve their heat-resistance and wave-absorption properties. The morphology, heat-resistance, electromagnetic properties and microwave absorption of raw-CIPs and silica-coated CIPs are investigated using a scanning electron microscope, an energy dispersive spectrometer, a thermal-gravimetric analyzer, and a network analyzer. The results show that the heat-resistance of silica-coated CIPs is better than that of raw CIPs. The reflection losses exceeding-10 dB of silica-coated CIPs are obtained in the frequency range 9.3-12.4 GHz for the absorber thickness of 2.3 mm, and the same reflection losses of uncoated CIPs reach the data in the lower frequency range for the same thickness. The enhanced microwave absorption of silica-coated CIPs can be ascribed to the combination of proper electromagnetic impedance match and the decrease of dielectric permittivity.     

Equivalent electromagnetic parameters for microwave metamaterial absorber using a new symmetry model

Transmission line theory uses the complex nature of permeability and permittivity of a conventional magnetic absorber to evaluate its absorption properties and mechanism. However, because there is no method to obtain the electromagnetic parameters of a metamaterial-absorber integrated layer(composed of a medium layer and a periodic metal array), this theory is seldom used to study the absorption properties of the metamaterial absorber. We propose a symmetry model to achieve an equivalent complex permittivity and permeability model for the integrated layer, which can be combined with the transmission line theory to calculate metamaterial absorption properties. The calculation results derived from both the transmission line theory and the high-frequency structure simulator are in good agreement. This method will be beneficial in practical investigations of the absorption mechanism of a metamaterial absorber.     

双层螺旋环超表面复合吸波体等效电路模型及微波损耗机制

针对超材料吸波频带窄的问题,采用金属螺旋环超表面与碳纤维吸波材料相复合的方式,设计了宽频高性能复合吸波体.研究发现,在碳纤维吸波材料中引入双层螺旋环超表面能显著增强吸收峰值和吸波带宽,且适当增加螺旋环初始线长和吸收层厚度有利于提高复合吸波体的吸波性能, 9.2—18.0 GHz频段的反射损耗均优于–10 dB (带宽达8.8 GHz),吸收峰值达–14.4 dB.利用S参数计算得到螺旋环-碳纤维复合吸波体的等效电磁参数和特征阻抗呈现多频点谐振特性,通过构建双层螺旋环超表面等效电路模型,定量计算了复合吸波体的电磁谐振频点,发现由等效电路模型获得的谐振频点计算值与仿真值基本相符,说明该复合吸波体多频点电磁谐振是宽频电磁损耗的主要机制.     

Electromagnetic characterization of fine-scale particulate composite materials

We report the results of the composition and frequency-dependent complex permittivity and permeability of ZnO and γ-Fe₂O₃ composites prepared by powder pressing. The electromagnetic properties of these materials exhibit a strong dependence on the powder size of the starting materials. In the microwave frequency range, the permittivity and permeability show nonlinear variations with volume fraction of Fe₂O₃. As the particle size decreases from a few micrometers to a few tens of nanometers, the data indicate that local mesostructural factors such as shape anisotropy, porosity and possible effect of the binder are likely to be intertwined in the understanding of electromagnetic properties of fine-scale particulate composite materials.