基于相位突变超表面的宽带反射透射式电磁隐身斗篷的设计

来源 :中国计量大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bzah123
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随着近些年超材料、超表面的出现和发展,隐身技术从梦想走进了现实。但由于超材料往往对于材料参数苛刻、结构庞大、不易于集成和加工等缺点,利用超表面来实现隐身的器件得到了广泛关注。超表面实际为一种二维的超材料,相较于前者,它具备超薄、轻便、易于集成和加工且能够拓展到大尺寸隐身器件。超表面对于入射电磁波的相位、振幅、偏振有着独特的操控能力。通过调整超表面谐振单元的尺寸,从而任意改变超表面单元的相位,在被隐身物体表面提供局部相位补偿,恢复电磁波近场波前,使得入射电磁波就好像入射到平板界面上类似,进而实现电磁波波前修复,达到隐形效果。但是目前超表面隐身的发展时间尚短,存在的一些问题还需要进一步地探索。比如现有的超表面斗篷普遍存在窄带和比较小的角度响应问题,还有超表面目前的应用场景都仅在于实现地毯式隐身。关于如何提高超表面隐身斗篷的隐身性能和超表面如何实现透射型隐身,本论文展开了如下一些方案的研究:(1)首先提出了一种宽带和宽角度响应的THz超表面隐身斗篷,通过引入高折射率介质层和“蛾眼状”微结构的抗反射层,以其对宽角度的响应能力,极大地增强了在传统超表面隐身斗篷的宽角度隐身性能。设计之初,我们提出了两种方案,通过分别在传统超表面隐身的结构单元基础上覆盖一层高折射率材料和增加一层“蛾眼状”微结构。然后,经过对超表面谐振单元的参数扫描,找到了满足两种方案下局部相位补偿的基本单元尺寸。通过数值模拟,我们发现在单元设计时引入抗反射层后,设计的隐身斗篷实现了在0.65THz到0.9THz的宽带范围内能够显著地重建波前且在入射角偏离15°工作角度时仍能有效地工作。(2)提出了一种基于单层超表面的双波长隐身斗篷。实现双波长甚至多波长隐身一直是解决传统超表面斗篷的窄带隐身问题的重点研究方向。双波长的实现难点是,通常一个基本单元的相位响应只能满足单一工作波长。本文,我们设计了一种结构周期相差较大的基本单元,利用超表面基本单元内外结构的低耦合性,实现了能够独立在9.6GHz和21.6GHz工作的双波长隐身斗篷。(3)提出了一种基于透明超表面的透射型隐身斗篷。超表面出现以来,关于超表面隐身的研究工作从未间断。但是,目前的超表面隐身斗篷几乎都为地毯式隐身,关于如何利用超表面实现透射型的空间隐身却少有涉及。为此,我们引入了透明超表面,它同时具备了电磁波的操控能力和超强的高透性。我们提出了一种基于透明超表面的透射型隐身器件,通过三层透明超表面实现对入射电磁波的操控,使得入射波能够围绕着障碍物体表面传播,从而消除散射,形成理想的隐藏空间。
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