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.     

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     

含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法

声波在含气泡弹性材料中传播时不仅使固相介质产生形变,而且会使气泡非线性振动,据此建立了含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法。利用等效媒质的微单元与含气泡材料的微单元具有相同的应力和应变,求得了含气泡材料的等效Lame系数,并得到了含气泡材料的非线性波动方程。其线性化结果与Gaunaurd的经典理论相比较,有很好的一致性。本方法还可给出含气泡弱可压缩弹性材料的另一重要参数——非线性系数。     

小型化电谐振人工特异材料研究

详细分析了电谐振人工特异材料设计原理,并结合等效电路模型通过加载等效电感、等效电容和接地等方法,将相同尺寸的工字形结构工作频率从12.21 GHz降到了5.46 GHz,小型化效果明显.该成果不仅对于不同结构人工特异材料小型化设计提供了重要的参考,同时也为设计不同性能、不同工作频率的人工特异材料提供了明确的研究方向和有效的途径.     

可听声频段的声学超材料

制作了一维周期排列的亥姆霍兹共振器超材料,在空气环境下测试了其在可听声频段声学透射行为.实验结果表明,在2.1—3.5 kHz附近该材料具有透射衰减的吸收峰,利用声传输线理论（ATLM）计算的透射率和实验结果一致,同时由计算的等效阻抗分析可知,实验中出现的吸收峰是由HRs共振的回波反射引起的.另外,实验测试的样品中透射信号分布进一步验证了材料的共振效应,也就是会出现与外加激励反相响应.基于前述的共振模型计算出该材料的等效弹性模量为负. 关键词： 亥姆霍兹共振器 声传输线 吸收峰 等效弹性模量     

基于电磁超材料的两种等效参数提取算法的比较分析

基于传统反演算法和Kramers-Kronig关系改进算法, 分别提取弱耦合和强耦合超材料渔网结构模型的等效参数, 并对两种算法的有效性及普适性进行了探讨.理论分析及计算结果表明, 传统的反演算法可以准确地反演弱、强耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但计算复杂度较高;而基于Kramers-Kronig关系的改进算法巧妙地降低了计算的复杂度, 能简单准确地提取弱耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但对于强耦合情形则不适用, 原因在于强耦合情形破坏了Kramers-Kronig关系的解析且连续性要求. 研究结果拓展了等效媒质理论并可为新的电磁超材料的设计提供理论参考. 关键词： 超材料 反演算法 Kramers-Kronig关系 等效参数     

基于光子计数能谱CT的含能材料等效原子序数测量方法

双能CT或能谱CT可以测量材料的等效原子序数,对含能材料的成分检测和生产工艺改进具有重要意义,但现有方法存在复杂度高、设备要求高等缺点.为提高等效原子序数的测量精度,并降低设备要求和算法复杂度,提出了一种基于新型CeT e光子计数探测器的等效原子序数测量方法.该方法利用材料的衰减特性,重新推导了两个能量区间线性衰减系数...     

单方环结构左手材料微带天线

设计了一种简单的双面单方环结构左手材料,在4.8–5.25 GHz频率范围内该材料的等效介电常数和等效磁导率同时为负.将此单方环左手材料作为覆盖层,置于中心工作频率为5.0 GHz的微带天线之上. 仿真和实验研究表明:相对普通微带天线而言,覆层微带天线的性能得到了明显改善, E面和H面的半功率波束宽度分别收缩了25°和20°,定向性得到了提高, 5 GHz处的增益提高了3 dB, -10 dB带宽增加了600 MHz. 关键词： 单方环结构 左手材料 微带天线     

宽频近零等效介电常数超材料及其在光场调控中的应用(特邀)

近零等效介电常数超材料以其近乎等于零的等效介电常数所赋予的电磁特性使其在理论研究和工程应用中均有可观的价值,是电磁超材料领域研究热点之一.本文系统总结了为了解决现有近零介电常数超材料工作频率单一的不足,以等效介质理论的Bergman-Milton谱表述理论为基础,结合超材料典型微观结构等效介电常数谱表述的特点,建立宽频...     

圆环孔阵列超材料对热释电太赫兹探测器性能影响关系研究

本文提出了新的基于圆环孔阵列超材料的钽酸锂热释电太赫兹探测器,以提高0.1—1 THz频段太赫兹波探测性能.仿真分析了内外径、周期、厚度等特征参数对圆环孔阵列超材料太赫兹波透射带宽及透射率的定量影响关系,阐明了圆环孔阵列超材料与热释电探测器的不同结合方式对探测器的带宽及噪声等效功率的作用机理;制备了两种圆环孔阵列超材料钽酸锂热释电太赫兹探测器;测试了圆环孔阵列超材料的透射特性和两类热释电探测器的噪声等效功率.结果表明,所制备的圆环孔阵列超材料在0.25—0.65 THz频段透射率大于40%,实现了带通滤波.当圆孔阵列超材料与热释电探测器保持足够间距时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为11.29μW/Hz^0.5,是带通波段外0.1 THz噪声等效功率的6.3%,实现了带通探测;当圆环孔阵列超材料与热释电探测器贴合时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为4.64μW/Hz^0.5,是无圆环孔阵列超材料探测器噪声等效功率的29.4%,实现了窄带探测.上述结论可用于生物成像、大分子探测等领域中特定太赫兹波段的带通与窄带探测.     

基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究

针对低频噪声的隔离问题,设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料,该材料由压电质量块嵌入弹性薄膜制成.建立了材料的有限元分析模型,并且计算了材料的各阶特征频率与20—1200 Hz频段的传输损失曲线,并通过实验验证了有限元计算的真实性.计算结果表明:此声学超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好,存在两个50 dB以上的隔声峰与一个可调式的隔声峰.通过分析简单结构的首阶共振模态并构建其等效模型,从理论上探究了结构参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响,并通过有限元计算验证了其等效模型的正确性;综合分析材料的特征频率与传输损失曲线,进一步讨论了结构的隔声机理,分析结果表明,在特征频率处,薄膜的"拍动"会导致声波在其后的传播过程中干涉相消,实现声波的衰减;通过Fano共振理论,探究了各共振点处传输损失曲线特征不同的原因;压电质量块与外接电路组成LC振荡电路,在电路的共振频率处,压电材料的振动可以吸收声波的能量从而造成一个隔声峰,同时可以改变外接电路的参数来调整电路的共振频率,从而实现对隔声性能的调控.最后,探究了压电质量块偏心量对材料性能的影响,并通过有限元计算验证了材料隔声性能的可调性.研究结果为可调式薄膜声学超材料的设计提供了理论参考.     

电谐振器和磁谐振器构成的左手材料的实验验证

加工、制作和测试了由电谐振器和磁谐振器构成的左手材料.首先分别测试了电谐振器、磁谐振器各自的传输频谱,得到各自的负参数区域,然后测试了由电谐振器和磁谐振器构成的左手材料的传输频谱,并提取了其等效介电常数和磁导率.实验结果表明,在电谐振器和磁谐振器各自传输禁带的重合区域,出现了一个通带,在该通带内,等效介电常数和磁导率同时为负,验证了材料的左手特性.     

基于负微分电阻碳纳米管的太赫兹波有源超材料特性参数提取

利用碳纳米管在外加静电场下可产生常温太赫兹频段负微分电阻的特性, 提出了太赫兹波频段的有源超材料设计方法以及块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法. 对无源金属线阵进行参数提取, 证明所提出的块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法, 可以有效解决传 统参数提取中的符号与多分支选择问题. 通过对嵌入具有负微分电阻特性的碳纳米管的金属线阵进行参数提取, 发现太赫兹波有源超材料不仅具有等效介电常数虚部为负(代表电有源)的特性, 而且还具有磁性色散的特性.     

梯度穿缝型双孔隙率多孔材料的吸声性能

在传统单一孔隙率多孔材料中引入宏观尺度的周期性梯度穿缝结构设计,构造出梯度穿缝型双孔隙率多孔材料,其包含多孔材料基体微孔尺度与穿缝尺度两个尺度。采用分层等效的理论建模方法,将复杂梯度渐变问题变为多层均匀等效层叠加问题。针对不同特征尺寸的多孔材料薄层,分别采用低、高两种渗透率对比度双孔隙率理论,给出了其等效密度和动态压缩系数,再应用传递矩阵方法得到了相邻薄层之间的声压和质点速度传递关系并求得其表面声阻抗,从而建立了梯度穿缝型双孔隙率多孔材料的吸声理论模型。发展了多尺度材料声学有限元数值模型,在所考虑的100~3000 Hz频段范围内数值模拟结果完全吻合理论模型结果。理论与模拟分析了多尺度结构参数对双孔隙率多孔材料吸声性能的影响,结果表明引入多尺度梯度结构设计能够显著提高单一孔隙率多孔材料的吸声性能,且穿缝尺度比穿缝梯度影响更为显著;精细数值模拟获得的声压和能量密度分布云图揭示了多尺度结构设计的吸声增强机制。该工作可用于指导双孔隙率多孔材料的多尺度结构设计,从而提高多孔材料的中低频吸声性能。      

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.     

吸附材料净化室内VOC性能评价研究

利用多孔吸附材料可以吸着室内空气中的低浓度有害气体,达到净化室内空气的目的.介绍了一种评价吸附材料吸附低浓度VOC性能的模型及其关键参数的测试方法.通过快速穿透实验法获得吸附等效分配系数和扩散系数等材料关键参数,与传统方法相比,大大缩短了实验周期,且具有较高的精度.以硅胶、活性氧化铝和13X沸石三种吸附材料为例,测定了...     

基于单面金属结构的二维宽带左手材料

利用将磁谐振器与共面短金属导线相结合的思想,设计了一种基于单面金属结构的二维左手材料. 理论分析与仿真结果均表明该结构在某一频段同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,并且相对左手带宽达到36%. 此外,该结构具有良好的容错能力,短金属导线宽度的变化对整体结构的谐振频率及通带宽度影响很小,这不仅有利于实际加工而且对于设计红外及太赫兹频率范围下的左手材料具有参考价值. 关键词： 左手材料 磁谐振器 宽频带 容错性     

基于多开口田字形宽频带低损耗左手材料

提出了一种基于多开口田字形单元结构实现材料左手特性的设计方案.该结构是在介质基板单侧集成电、磁谐振器形成左手单元.通过理论分析、软件仿真、加工测试、提取有效电磁参数,结果表明该结构在12.7—21.1 GHz范围内具有双负特性(等效介电常数ε0,等效磁导率μ0),基本覆盖Ku波段,绝对带宽可达8.4 GHz,单元损耗低于0.3 d B.同传统的左手材料相比,该结构以更小的单元尺寸,更低的损耗实现了更宽的左手频带,为宽频带、低损耗微波左手材料的设计及广泛应用提供了重要参考.     

信息超材料研究进展

超材料是物理和信息领域的研究热点之一,本文主要介绍信息超材料的研究进展.不同于传统超材料的等效媒质参数表征,信息超材料由物理单元的数字编码来描述,通过控制不同的编码序列来实时地调控电磁波,进而实现超材料的现场可编程功能.由于在超材料的物理空间上构筑起数字空间,因此可在超材料的物理平台上直接处理数字信息,实现了信息系统微波射频和数字信息处理的统一.本文系统介绍数字编码超材料、现场可编程超材料及信息超材料的基本概念及其调控电磁波的能力.结合其数字表征的特点,重点介绍定量描述信息超材料信息量的信息熵、对波束进行搬移的卷积定理、以及对多个波束进行独立调控的加法定理.最后,展示了基于信息超材料的可编程全息成像、新架构微波成像和无线通信系统,实现了超材料的系统级应用.     

一种新型声学超材料平板对机械波吸收性能的模拟与实验研究

基于质量-弹簧微结构通过光学振动模式对机械波进行选择性吸收的原理, 本文设计了一个由集中质量与弹性薄膜构成的二维声学超材料等效平板结构. 利用有限元法对等效平板代表性胞元的振动特性模拟结果表明, 二维超材料平板结构表现出与质量-弹簧微结构相同的振动模式. 基于模拟结果, 制作加工了一个正方形超材料平板, 并通过Polytec扫描式激光测振仪(PSV)对其振动特性进行了试验测试, 结果表明, 本文设计制作的超材料平板可以对频率157.5 Hz的机械波进行选择吸收.