【摘 要】
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超材料,指的是一种人工复合材料或结构,其可以通过人为的设计原子或分子,制备具有周期性或非周期性人造微结构单元,表现出异于天然材料的超常物理性能。在微波和太赫兹波广泛应用的信息时代,超材料吸波器在军用和民用的各个领域均有广阔的应用前景。本文对超材料的起源以及电磁超材料吸波器的发展进行了总结分析,并分析目前微波和太赫兹频段超材料吸波器存在的问题和不足。基于微波多频段吸波器复杂的表面谐振结构、无法兼备优
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超材料,指的是一种人工复合材料或结构,其可以通过人为的设计原子或分子,制备具有周期性或非周期性人造微结构单元,表现出异于天然材料的超常物理性能。在微波和太赫兹波广泛应用的信息时代,超材料吸波器在军用和民用的各个领域均有广阔的应用前景。本文对超材料的起源以及电磁超材料吸波器的发展进行了总结分析,并分析目前微波和太赫兹频段超材料吸波器存在的问题和不足。基于微波多频段吸波器复杂的表面谐振结构、无法兼备优异的吸收特性以及缺乏基于柔性材料的设计等不足,太赫兹频段在宽带吸收的吸收空白,以及对跨频段多频段吸收的研究匮乏等问题,设计了多款在1 GHz～10 THz内频段实现多频段、宽频段和跨频段吸收的超材料吸波器。本论文的内容主要研究了以下几个方面。首先,在微波频段,基于谐振腔结构设计了五款实现完美吸收的超材料吸波器。其中包括三款三层谐振的多频段吸波器、一款柔性四频段吸波器和一款带孔圆台宽频段吸波器。基于圆环十字组合、方环米字组合和平角开口菱形环米字组合三种表面谐振腔,设计并制备了三款“金属-介电层-金属”三层结构的多频段超材料吸波器,分别在4.44 GHz和7.85 GHz、3.80 GHz和8.63 GHz、7.48 GHz、9.70 GHz和11.27 GHz的谐振频率处实现了近乎100%的完美吸收。基于镂空圆环十字组合谐振器设计并制备了一款超薄四频段超材料吸波器,在谐振频率3.25GHz、6.89 GHz、9.38 GHz和10.60 GHz处实现了吸收率高于90%的吸收峰。基于带孔圆台的叠层结构设计了一款在C波段到K波段实现相对带宽为112.44%的超宽频超材料吸波器,其在6.65 GHz～23.73 GHz的频段内实现了高效的吸收,在整个吸收频段内吸收率均大于80%。接着对不同偏振角和入射角的仿真分析验证了偏振不敏感特性和广角特性。对电磁场和表面电流的分布计算揭示了电磁共振共同作用的吸波机制,并对三频段和宽频段吸波器的部分组成结构提取进行单独分析,验证了电磁分析的结果。对微波多频段超材料吸波器的制备与测试方法进行了详细介绍,并制备了两款两频段吸波器、一款三频段吸波器和一款柔性四频段超材料吸波器,采用拱形法测试其吸波性能,并将实验结果与仿真进行了对比与误差分析,验证了其高效的吸收性能。其次,在太赫兹频段,基于菱形环谐振腔设计了一款宽频超材料吸波器。其单元为非亚波长结构,在吸收频段5.09～6.95 THz内实现了吸收率高于90%的吸收,吸收带宽达到1.86 THz,填补了当前研究在5～7 THz内缺少吸收的空隙。建立了等效电路模型、采用等效介质理论对吸收原理进行了数值分析。偏振特性方面,偏振角变化下,几乎完全重合的吸收光谱表明了太赫兹吸波器的偏振不敏感性。入射特性方面,逐渐增大的入射角导致吸收率的降低和吸收带宽的减小,分别对入射角小于60°的TE极化波和入射角小于50°的TM极化波维持高效的宽频吸收。电磁分析揭示了其电磁谐振吸收的本质,介电层厚度对吸收性能的显著影响同样验证了介电层中的磁共振对吸收的主要贡献。最后,提出了叠层原理的设计构想,并对叠层的布置特点与吸波原理进行了分析与研究。基于该原理和镂空十字的谐振结构,设计了一款在微波频段和太赫兹频段同时实现多频吸波的跨频段超材料吸收器,分别在110.20 GHz、162.32GHz、186.37 GHz、1.18 THz和1.85 THz处产生吸收波峰。在理论上采用等效介质理论反演了等效介电常数与磁导率,并计算了等效阻抗,进而使用阻抗匹配理论解释了跨频段吸波器的完美吸收。在仿真上,对单独吸波单元和叠加吸波单元的电磁响应进行了分析,揭示了叠加吸波单元单独的微波和太赫兹吸波部分的电磁谐振分别对入射的微波和太赫兹波能量进行了损耗。对偏振和入射吸收性能以及结构参数变化进行分析,证明了叠加吸波单元的偏振和射特性与单独吸波单元的一致性,这也意味着可以通过对单独吸波单元的设计来实现对叠加跨频段超材料吸波器的设计调控。此基于叠层原理的设计构想为跨频段超材料吸波器的设计提供了新思路,该跨频段超材料吸波器也可在多频段电磁隐身与电子对抗之中得以运用。
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