缝隙八木纳米天线设计及宽波段吸收特性

针对传统光伏电池能量收集易受环境与光照时间限制的问题,本文设计了一种用于太阳能收集的缝隙八木纳米天线单元及阵列.采用时域有限差分法分析缝隙间距对纳米天线远场方向性和近场分布的影响,并研究缝隙八木纳米天线阵列的吸收特性及不同缝隙间距对阵列天线吸收率的影响.研究远场方向性发现,当缝隙间距增加到一定距离时,天线方向图出现多个副瓣并产生新的辐射模式;通过对近场分析表明,新辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.天线阵列吸收率的仿真结果表明:在400~1 500nm波段,随着缝隙间距的增加,缝隙八木纳米天线阵列吸收率呈上升趋势,当缝隙间距等于80nm时,在400~660nm、760~1 300nm两个波段内吸收率较高,吸收峰值最大可以达到98%;以吸收率大于50%为基准,当缝隙间距等于80nm时,其吸收波段最宽.     

宽波段纳米超材料太阳能吸收器的设计及其吸收特性

在纳米偶极子等效电路的基础上,结合多层波导与谐振腔结构,设计了一种高吸收率、宽波段的纳米超材料太阳能吸收器。该吸收器的单元结构是由双六边形超材料纳米柱与Si圆环柱组成,其中Si圆环中镶嵌了8个微型Au纳米圆柱。采用时域有限差分方法分析了纳米超材料吸收器在宽波段、不同偏振状态的入射光以及大角度入射光下的吸收特性。数值分析表明,该吸收器的吸收波段主要集中在400~1500nm,其平均吸收率可以达到94%。不同偏振状态的入射光对吸收器的吸收率影响较小,且在±60°大入射角度时该吸收器的平均吸收率仍可达到90%。该吸收器宽波段的高吸收率是由慢波效应与局域表面等离子体共振的共同作用引起的。     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25~35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86%,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25~35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9%,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

C/Ku波段共口径宽角度扫描相控阵天线

设计了一款具有高功率容量与宽角度扫描特性的C/Ku双频段共口径平面相控阵天线。在同一辐射口径内,相控阵天线包含有基于平面偶极子单元的C波段4×4阵列,以及基于混合零阶谐振贴片单元的Ku波段8×9阵列。所设计的相控阵天线的宽角度扫描性能归功于双频段阵元天线的宽波束辐射特性。下层混合零阶谐振贴片天线既能作为Ku波段的宽波束辐射单元,又能够为C波段的偶极子天线提供零反射相位,进而基于镜像原理拓宽偶极子天线的波束宽度。并且,对天线进行了介质埋入式设计,避免了空气击穿以提高天线系统功率容量。全波仿真结果表明,所提出的共口径相控阵天线在C和Ku双频段均实现了±45°的波束扫描,增益波动小于3 dB,天线阵列在各单元输入功率之和为1 W时功率容量达18.9 MW。     

一种高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线

提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上,该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段,获得了宽带高功率性能。仿真结果显示,在0.8～4.0 GHz的范围内,天线未扫描时的驻波比小于2;在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中,功率容量达到0.12 MW;以该单元天线组成10×10阵列,100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm,在1个大气压的SF6气体中,功率容量可以达到12 MW,另外,该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。     

基于有机半导体的宽波段薄膜太阳能吸收器

具有平面结构、纳米尺度的半导体薄膜是太阳能电池的重要组成部分。平面结构加工简单廉价,纳米尺度薄膜量子效率高,但这类结构光学吸收能力差。因此,本文研究如何采用简单平面结构,增强厚度只有几十纳米的半导体薄膜的宽波段吸收特性。研究发现当半导体材料折射率随波长正比例变化、吸收指数不随波长变化时,一定存在一对透明材料厚度和入射角度,使得半导体薄膜/透明材料/金属基底平面薄膜结构具有宽波段完全吸收特性。研究结果可作为宽波段太阳能吸收器的设计准则。以厚度只有35 nm的P3HT:PC_(70)BM薄膜为例,在420和600 nm波长处,设计吸收率均超过95%,从而显著拓宽高吸收率的波段范围,使光生电流比参考结构提高42%。     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25～35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86％,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25～35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9％,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

一种矩形层叠结构的超宽带完美吸收器

根据多尺寸结构特性和阻抗匹配理论,设计一种矩形层叠结构的超宽带完美吸收器。该吸收器由两层不同尺寸的金属-半导体薄膜-半导体组成,其可以激发多种谐振模式,实现超宽带的完美吸收。采用时域有限差分法研究和分析吸收器的吸收光谱和电磁场能量分布,以及偏振角和入射角对吸收性能的影响。数值计算结果表明,该吸收器在可见光-中红外范围内的平均吸收率高于97%,并具有偏振独立性;当入射角度为60°时,平均吸收率仍高于90%;宽波段的完美吸收由间隙表面等离激元、传导表面等离激元和法布里-珀罗谐振等多种模式的共同作用来实现。     

X波段超宽角扫描相控阵天线设计

为了实现X波段超宽角扫描,提出一种新型的紧耦合阵列天线单元设计,并结合等效电路分析优化天线参数。采用集成式Marchand巴伦馈电,可以实现偶极子与巴伦共基板印刷,进而减小天线的重量与成本。阵列口径上方加载垂直寄生覆层及水平单层电介质板,两者共同作用以改善宽角扫描时阻抗变换。仿真结果表明该天线可实现X波段（8～12 GHz）E面80°、H面70°的扫描角,且有源驻波比小于3。该天线结构简单紧凑,易于加工制作。     

W/VO2方形纳米柱阵列可调中红外宽频吸收器

基于VO_2的热致相变特性,仿真设计出了一种W/VO_2方形纳米柱阵列可调中红外宽频吸收器,通过时域有限差分法分析了结构参数对吸收性能和结构内电磁场强度分布的影响,以及吸收器在不同偏振态和入射角度下的吸收特性。结果表明:在最佳的结构参数下,当VO_2未发生相变时,入射到吸收器的红外光转变为热而消耗掉,在3～5μm谱段的平均吸收率高达96.2%;当VO_2发生相变而转变为金属相时,吸收器表现出强反射,抑制吸收,高低温下的平均吸收率差可达74.1%。该吸收器的吸收率受入射光的影响较小,具有广角吸收特性,有望在红外智能光电领域得到应用。     

高功率微波缝隙耦合效应的试验研究

 利用高功率微波源对预设的11种不同尺寸的缝隙做了耦合效应试验，得到了这11种缝隙对试验波段的一般耦合特性。试验结果表明：窄缝的耦合效应有较强的极化特性；从波长与缝隙的长度相对关系对耦合效应的影响来看，波长与缝隙的长度相当时耦合效应最强；在UWB，L，S，X几个波段内，缝隙的宽度越窄，耦合效应越弱；缝隙的深度能明显影响其耦合效应，随缝深的增加，耦合效应逐渐减弱；辐射波脉宽变化对耦合效应基本没有影响。     

复合周期双层金属膜光栅的多特性融合研究

设计了一种性能优异的多频带、多特性融合的复合周期双层金属膜纳米光栅结构。通过运用有限元法进行仿真，发现该结构在65°底部TM模式偏振光斜入射下，能够在波长760、904、1028、1216 nm处出现高吸收，其吸收强度分别为98.73%、92.84%、97.57%、99.11%。进一步模拟发现，多频带吸收峰还兼具窄带偏振滤波以及折射率传感特性，其最大折射率灵敏度为2080 nm/RIU,最大品质因数为92.1 RIU^-1。另外，通过周期调制，该结构还实现了在近红外波段从944～1206 nm宽波段范围的窄带偏振滤波可调谐功能。通过对电磁场、表面电流、表面电荷的分布分析，给出了该结构多频带、多特性融合的物理激发机制。该复合周期双层金属膜光栅结构在微型化与高度集成化的多光谱红外探测、光谱成像以及生物传感等领域具有广阔的应用前景。     

基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子厚度的二维材料,其在可见光和近红外波段的吸收率只有2.3%。这大大限制了其在太阳能电池、光电探测等领域的应用。本文提出一种金属-介质组成的周期纳米结构,利用纳米结构中激发的磁激元共振(Magentic Polaritons,"MP")效应,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强。利用有限元法的理论仿真,系统研究了纳米结构参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,在特定结构参数下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)电路模型成功解释了石墨烯的吸收增强的物理机制,预测了复合系统的磁激元共振峰波长,发现石墨烯的存在不影响磁激元共振峰的位置。文中提出的纳米结构在加工上易于实现,研究结果将在基于石墨烯的新型光电子器件的设计和实现方面有潜在应用价值。     

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1eV增大到1.0eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.     

基于太阳能收集的宽频螺旋纳米天线设计EI北大核心CSCD

基于光的波动性,提出了一种用于太阳能收集的螺旋纳米天线结构,并利用时域有限差分法对其进行分析。该天线结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成,分析了天线的辐射效率和极化特性。新的螺旋纳米天线在400~1600nm的波长范围内(占太阳总能量的85%)可获得高达74.49%的总辐射效率,高于先前学者提出的偶极子天线结构。同时,对于不同方向入射的线极化平面波,螺旋天线馈电间隙处可获得同等量级的局域电场增强,表明该天线能够兼顾太阳光的任意极化特性。     

基于太阳能收集的宽频螺旋纳米天线设计

基于光的波动性,提出了一种用于太阳能收集的螺旋纳米天线结构,并利用时域有限差分法对其进行分析。该天线结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成,分析了天线的辐射效率和极化特性。新的螺旋纳米天线在400~1600nm的波长范围内(占太阳总能量的85%)可获得高达74.49%的总辐射效率,高于先前学者提出的偶极子天线结构。同时,对于不同方向入射的线极化平面波,螺旋天线馈电间隙处可获得同等量级的局域电场增强,表明该天线能够兼顾太阳光的任意极化特性。     

一种基于共享孔径Fabry-Perot谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线

设计了一种工作于X波段的基于共享孔径Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线,并设计了三种不同尺寸的双层频率选择表面(FSS)单元,通过共享孔径布阵组成了超材料覆层.利用三种FSS单元的相位补偿特性,有效拓展了覆层天线的增益带宽.实测和仿真结果均表明,加载超材料覆层后,磁电偶极子天线在7.8—12.3 GHz内S_(11)-10 d B,相对带宽达到44.7%,覆盖整个X波段.天线增益在7.9—12.1 GHz内均有明显的提高,最大提高了7 d B.相较于传统的F-P谐振腔结构覆层天线,设计的基于共享孔径的F-P谐振型超材料覆层天线能够明显拓展天线增益带宽,在新型宽带高增益天线设计方面具有广阔的应用前景.     

基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器

本文提出一种基于圆台形吸收单元的超宽带、极化不敏感的超材料太赫兹吸收器. 该超材料吸收器采用金属薄膜金和介质层二氧化硅交替叠加的多层结构. 采用商业软件CST Studio Suite 2009时域求解器计算了其在0–10 THz波段内的吸收率A（ω）,在2–10 THz之间实现了对入射太赫兹波的超宽频带强吸收. 仿真结果表明,由于其圆台形单元结构,在器件垂直方向上形成一系列不同尺寸的微型吸收器,产生了吸收频点相连的多频吸收峰. 利用不同吸收峰的耦合叠加效应,获得超过8 THz的超宽带太赫兹波吸收,吸收强度达到92.3%以上. 这一结构具有超宽带强吸收,360°极化不敏感以及易于加工等优越特性,因而在太赫兹波探测器、光谱成像以及隐身技术方面具有潜在的应用. 关键词： 太赫兹波 超材料吸收器 圆台结构 超宽带     

红外波段十字阵列光吸收材料光学特性研究

尺寸为光波长量级的微纳结构材料与电磁波的相互作用,使得其具有许多特殊的光学性能,金属-电介质-金属微纳结构具有电磁波完美吸收特性。基于S参数法,研究十字阵列光吸收材料在红外波段的光学特性参数,分析其谐振吸收机理及光学特性参数调谐性。研究结果表明,十字阵列单元尺寸对其等效光学参数具有调谐作用;当材料表面与入射介质之间满足阻抗匹配条件,以及等效折射率系数虚部值足够大时,可以有效提高其吸收率;经过结构优化的十字阵列光吸收材料在红外波段具有大于95%的吸收率,实验样件测试结果大于80%。十字结构臂长和电介质层厚度决定吸收谱特性,而十字结构臂宽仅仅影响吸收谱峰值大小。十字阵列光吸收材料在红外波段的完美吸收及光谱调谐性特点,使其可用于红外探测和光谱成像等领域。     

基于一维金属-介质周期结构的偏振分束

分析了一维金属一介质周期结构的能带特性,根据一定频率范围内TM波(磁场方向与界面平行)在结构中的负折射以及TE波的正常折射,提出了一种偏振分束器件.利用传输矩阵法(TMM)模拟了该结构对入射高斯光束的偏振分束作用,讨论了不同入射角度下的偏振分束能力,并结合实际金属参量,分析了金属层吸收对结构特性的影响.结果表明该结构在55°附近入射时有最好的性能;在吸收作用下结构偏振分束能力有一定的减小,TM波透射比发生了较大变化,TE波效果较好;随着周期数增加,结构透射比下降,但分光能力显著提高;在工作波段上随着波长增大,金属层吸收对器件的影响减弱.该结构能实现宽波段、宽角度、较高透射比的偏振分束.