一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料

设计了一种三层宽频吸波超材料,其表层和中间层为单元尺寸不同的周期阵列结构,底层为吸波平板结构,优化后的总厚度仅为4.7 mm,并采用三维(3D)打印技术成功制备了该吸波超材料.吸波体反射率测试结果表明,在电磁波垂直入射条件下,宽频吸收峰分别出现在5.3和14.1 GHz,两峰叠加使得其在4-18 GHz频率范围内反射损耗均小于-10 dB.采用S参数反演法计算了每一层的等效电磁参数,并利用多层结构反射率公式推导得出该模型的理论反射率,理论计算结果与实测结果基本一致.通过研究能量损耗、电场分布和磁场分布揭示了吸波机理,分析表明该吸波体的宽频吸收效果源于三层结构产生的吸收带宽叠加.本文提出的吸波超材料具有良好的宽频吸收效果,尤其在低频范围吸波性能较佳,结合3D打印快速成型技术,可获得结构精细的三层吸波超材料,具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景.     

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.     

超薄电磁屏蔽光窗超材料吸波器EI北大核心CSCD

提出并验证了一种新型超薄微波超材料吸波器设计。该超材料吸波器由三层金属结构层和两层介质材料层组合而成,并采用两个相同的金属圆环作为双层复合谐振结构单元。该设计与传统的单层谐振结构单元相比,不仅大大减小了吸波器整体结构厚度,而且有效提高了电磁波吸收率。利用有限元电磁模拟对该吸波器内部的空间电磁场及表面电流分布进行仿真与分析,阐述了其电磁吸波物理机理。模拟和实验结果均证实该吸波器具有极化不敏感及宽角度入射稳定特性。该超薄超材料电磁吸波器整体结构简单,占空比低,在电磁屏蔽光窗等领域具有潜在应用。     

超薄电磁屏蔽光窗超材料吸波器

提出并验证了一种新型超薄微波超材料吸波器设计。该超材料吸波器由三层金属结构层和两层介质材料层组合而成,并采用两个相同的金属圆环作为双层复合谐振结构单元。该设计与传统的单层谐振结构单元相比,不仅大大减小了吸波器整体结构厚度,而且有效提高了电磁波吸收率。利用有限元电磁模拟对该吸波器内部的空间电磁场及表面电流分布进行仿真与分析,阐述了其电磁吸波物理机理。模拟和实验结果均证实该吸波器具有极化不敏感及宽角度入射稳定特性。该超薄超材料电磁吸波器整体结构简单,占空比低,在电磁屏蔽光窗等领域具有潜在应用。     

一种极化不敏感和双面吸波的手性超材料吸波体

基于手性结构设计了一种极化不敏感和双面吸波的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由手性结构和介质基板组成.仿真的电磁波正、反向入射时超材料吸波体的吸收率表明:该吸波结构的正、反面是互易的,具有双面吸波特性.仿真的不同极化角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体具有极化不敏感特性.仿真的不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体的入射角较窄.仿真的吸波体单元的表面电流和磁能密度分布表明:电、磁场之间存在交叉耦合,吸波与手性有关.仿真的不同损耗情况下超材料吸波体的吸收率表明:基板的介质损耗在吸波过程中起主导作用,金属的电阻热可以忽略不计.该超材料吸波体可能在要求双面吸波的领域中具有潜在的应用. 关键词： 极化不敏感 双面吸波 手性结构 超材料吸波体     

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.     

基于电磁谐振分离的宽带低雷达截面超材料吸波体

基于超材料的电磁谐振特性, 设计、制作了一种极化无关的宽带低雷达散射截面 (radar cross section, RCS)超材料吸波体. 通过场分布和反演法分析了其吸波机理, 利用波导法和空间波法测试了其吸波率和RCS特性. 理论分析表明: 在平面波的作用下, 该吸波体对某一吸波频率在不同的位置分别提供电谐振和磁谐振, 对不同的吸波频率, 利用不同的介质层提供主要的能量损耗, 从而有效减弱了电磁耦合, 保证了宽频带的强吸收特性. 实验结果表明: 设计的三层结构吸波体吸波率达90%以上的带宽是单层结构的4.25倍, RCS减缩10 dB以上的带宽为5.1%, 其单元尺寸为0.17λ, 厚度仅为0.015λ. 该吸波体的低RCS特性还具有极化无关、宽入射角的特点, 且通过改变吸波体的夹层结构可以实现工作带宽的灵活调节. 关键词： 超材料吸波体 雷达散射截面 宽带 电磁谐振     

准全向平板超材料吸波体的设计

本文设计了一种具有准全向吸波特性的平板超材料吸波体,其准全向吸波特性是由超材料吸波单元的双面吸波、极化不敏感和宽入射角实现的.理论分析和仿真结果表明:该吸波体在6.18 GHz的确有一个双面吸波的吸收点,且吸收率对极化角和入射角均不敏感.提取的等效阻抗表明可以调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由空间阻抗匹配来抑制反射.仿真的能量损耗分布表明:该吸波体对电磁波的吸收主要源于基板的介质损耗;采用两种不同介质基板的设计可使前吸波体与后吸波体的耦合度明显降低、抑制耦合所导致的传输.该吸波体可能在许多领域具有 关键词： 准全向吸波 双面吸波 极化不敏感 宽入射角     

基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体

仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景. 关键词： 极化无关 透射吸收 超材料吸波体     

基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化极化不敏感超材料吸波体

设计、仿真并实验验证了基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化超材料吸波体. 实验测试结果表明, 该超材料吸波体在1.39 GHz吸收率达到最大为98%, 其单元尺寸和总厚度均为6.8 mm, 约为1/32工作波长, 实现小型化窄带吸波. 由于吸波体中螺旋结构是旋转对称排列的, 因而其对垂直入射电磁波的极化方向是不敏感的. 此外, 该超材料吸波体对斜入射横电和横磁极化电磁波在60°时, 仍具有强吸收. 关键词： 超材料 吸波体 小型化     

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体.吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成5×5的方形阵列.各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收.通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用.仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.     

有源器件混合集成的超薄超宽带可调雷达吸波体

结构型雷达吸波材料不仅可以有效吸收雷达波,还能同时承受载荷,在雷达隐身领域具有重要应用.基于超表面的结构型雷达吸波材料可以实现对雷达波近乎"完美"的吸收,且具有结构轻薄的特点,但其限制在于吸波带宽通常较窄,针对该问题,提出一种拓宽超表面吸波体工作带宽的新方法.该方法利用可重构的思想,通过在超表面中混合集成变容二极管和开关二极管,将吸波频率的连续可调与离散搬移有机结合,以此展宽吸波体的有效吸波带宽.基于该方法,设计了一款超宽带可调超表面吸波体,并深人分析了其吸波机理,通过开关二极管和变容二极管工作状态的调节与配合,在4.57—8.51 GHz内实现了高效可调吸波.实测结果验证了该吸波体的低雷达散射截面特性,证实了设计方法的有效性.所提出的宽带可调设计方法简单可行,还可以拓展应用到其他类型的宽带微波器件设计.     

双向多频超材料吸波器的设计与实验研究

利用金属线单元组合法, 仿真设计并制作了一种在通信频段(0.8-3GHz)的双向多频超材料吸波器. 仿真与实验结果表明: 该吸波器对于不同极化和宽角度入射的电磁波有三个稳定的吸波频点, 分布在2.04GHz, 2.34GHz和2.65GHz, 吸收率分别达到92.3%, 95.3%和94.7%. 该吸波器设计简单、灵活性强、吸收效果好、易于加工, 为通信领域的电磁屏蔽或抗电磁干扰提供了新的方法. 关键词： 超材料 双向多频吸收 极化不敏感 宽角度入射     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

极薄宽角度平面超材料吸波体仿真与实验验证

仿真和实验验证了厚度极薄的平面结构超材料吸波体, 该吸波体采用加载交指电容的耶路撒冷十字结构, 通过增加单元间的耦合电容显著降低了其工作频率. 测试结果表明, 该超材料吸波体在1.58 GHz, 吸收率峰值为88.48%, 其厚度为2 mm, 约为1/95工作波长, 吸波体的单元尺寸为11 mm, 约为1/17工作波长. 此外, 通过金属通孔将耶路撒冷十字结构与金属底板相连接, 使其对斜入射横电和横磁极化电磁波具有宽角度吸收特性, 在60°时依然具有较高的吸收率, 且吸收峰频率几乎不发生偏移, 从而使其更具实用价值. 关键词： 极薄 宽角度 超材料吸波体     

基于电阻膜的宽频带超材料吸波体的设计

基于电阻膜设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由六边形环状电阻膜结构、介质基板和金属背板组成.仿真得到的反射率和吸收率表明,该吸波体在7.0-27.5 GHz之间对入射电磁波具有宽频带的强吸收,证实了电路谐振相对于电磁谐振易于实现宽带吸波.仿真得到的不同极化角和不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明,该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性.仿真得到的基板和电阻膜对超材料吸波体吸收率的影响表明,电阻膜结构和金属背板之间形成的电容以及电阻膜结构的电阻都存在一个最佳值,此时电路谐 关键词： 电阻膜 电路谐振 宽频带 超材料吸波体     

宽带透射吸收极化无关超材料吸波体

提出了一种新的基于磁性吸波体材料的具有低频透射和高频宽带吸收特性的超材料吸波体.该超材料吸波体在1 GHz的透射系数为-0.5 dB,具有较好的低频透射特性,可以实现对低频信号的相互通信;在频率大于8.4 GHz的频段,吸收率均大于80%,基本覆盖整个X波段和Ku波段,实现高频宽带吸收.此外,由于该超材料吸波体的单元金属周期结构具有较好的四重旋转对称性,因而是极化无关的.该透射吸收超材料吸波体设计简单,实用性强,具有较强的潜在应用价值.     

基于电阻型频率选择表面的低频宽带超材料吸波体的设计

基于电阻型频率选择表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS) 设计了一种低频宽带、 极化不敏感和宽入射角特性的超材料吸波体. 该吸波体的基本单元由开槽十字型平面超材料(Cave Cross Planar Metamaterial, CCPM)、 RFSS、 电介质基板和金属背板组成. 采用FDTD方法数值模拟得到的结果表明: 相比于单纯的CCPM吸波体、 RFSS吸波体, CCPM和RFSS复合结构吸波体低频吸收特性得到极大改善, 在整个1-5 GHz频率范围内, 吸收率大于80%, 吸收峰值达到98%以上. 数值模拟得到的不同极化角和不同入射角下的吸收率表明: 该复合结构吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.     

基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用

设计了一种基于超材料电磁特性的吸波体, 并将其应用于波导缝隙天线. 该吸波体是由两层金属及其中间的有耗介质组成, 上层金属是由刻蚀交叉缝隙的贴片形成的电谐振器, 下层金属不刻蚀, 作为整个金属地板. 通过优化结构参数, 得到了一种极化不敏感、宽入射角的超薄吸波体, 吸波率达到99.1%, 厚度只有约0.01λ. 将该吸波体应用与波导缝隙天线, 在5.48-5.7 GHz工作频段内, 天线雷达散射截面减缩都在3 dB以上, 在鼻锥方向的-25°-+25°范围的角度上, 天线雷达散射截面减缩均在5 dB以上, 雷达散射截面减缩最大超过12 dB, 而天线前向增益仅降低了0.53 dB. 实验结果与仿真结果符合得较好, 证实了该吸波体具有好的天线雷达散射截面减缩效果, 可以应用于天线目标的隐身.     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面波导缝隙阵列天线

提出利用超材料吸波体减缩波导缝隙阵列天线带内雷达散射截面的设计方法. 设计具有超薄(厚度仅为0.01λ, λ为吸波体中心频率对应波长)、无表面损耗层和高吸波率的超材料吸波体, 将其加载到波导缝隙天线E面方向辐射缝隙间的金属表面上, 并与辐射缝隙保持一定的间距. 该加载方式没有破坏天线的口径馈电振幅分布, 并利用超材料吸波体对电磁波的强吸收特性降低了天线阵的结构模式项散射. 仿真和实验结果表明, 加载超材料吸波体后天线阵的反射系数、增益、波瓣宽度保持不变, 在x极化和y极化条件下, 波导缝隙阵列天线的带内雷达散射截面减缩量均在6 dB 以上, 且在-25°-+25°范围内天线雷达散射截面均有明显的减缩, 鼻锥方向减缩超过10 dB. 该研究成果对阵列天线雷达散射截面减缩具有重要的借鉴意义和工程应用价值.