论文部分内容阅读
控制电磁波的极化状态与选择性吸收和反射，在成像、天线、通讯系统、电磁污染治理以及军事隐身（红外/雷达兼容隐身）等领域均有许多重要的应用。新型人工电磁超材料的出现为上述功能的实现与优化提供了全新的思路。本学位论文针对如上研究领域开展以下两方面的研究工作：首先，针对目前超材料极化转换器电场振幅的调控范围有限、调控频段窄的缺点，通过在超材料表面与金属背板间引入Fabry-Perot空腔共振设计制备了基于非对称单开口环（as-SRR）单元的超材料极化转换器，实现了大幅、无色差电场振幅调控和宽带、高效的90线极化转换。该超材料极化转换器在10-17.6GHz范围内，交叉极化电场强度大于0.8，而平行极化电场强度小于0.09，极化转换率PCR0.9。其中，在9.8-12.5GHz和16-17.3GHz频段内PCR0.98，明显优于文献结果。系统研究了as-SRR的不对称度、介质损耗tan e对平行极化和交叉极化电场强度以及PCR随频率变化的影响规律。结果表明，随着的增加，平行极化电场逐渐转化为交叉极化；当最大时，实现了交叉极化的最大化和平行极化的最小化。介质损耗tan e的增加不影响平行极化强度(<0.09)，而仅降低交叉极化强度和PCR。Fabry-Perot空腔共振模型说明了宽带、高效线极化转换来源于as-SRR不对称结构的宽带极化响应和多重极化耦合过程以及低介质损耗。上述材料的振幅调控特性为人们提供了一种新的方式去设计其他电磁调制器件。其次，基于雷达波亚波长全金属超材料吸波体的尺寸远大于红外波长而对红外波反射，可能实现红外/雷达兼容隐身的新思路，设计并制备了一种多级金属凹槽(MMG)吸波超材料，实现了红外波与多频点雷达波兼容的完美隐身。系统研究了凹槽高度h、凹槽间隙g对雷达波吸收与红外反射性能的影响规律。结果表明，随着h的增加，吸收峰向低频移动；当h=9.5mm时，MMG超材料在8-20GHz范围内出现了6个-20dB的反射损耗峰。h与共振频率r之间存在的线性关系表明其吸收机理为凹槽内的驻波共振在金属表面产生欧姆损耗从而被完美吸收。凹槽间隙g <0.1mm时，不同高度凹槽之间的相互作用使得吸收峰融合。当h=24.5mm，g=0.05mm时，MMG超材料在3.26-3.81GHz (B=0.55GHz)频段内的吸收深度均大于-10dB。 MMG结构尺寸远大于红外波长，对红外波表现出不依赖于h和g的金属反射特性。对h=9.5mm，g=0.5mm的MMG超材料进行红外反射率测试表明，其在8-14m范围均大于95%(对应发射率0.05)。上述MMG超材料突破了传统红外/雷达兼容隐身材料的瓶颈，可望为研制红外/雷达兼容隐身材料提供一种新型的设计思路。