超表面在电磁吸波与天线中的应用研究

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隐身技术在电磁对抗与电磁干扰中具有重要的应用价值,可以保障己方设备正常工作,但是随着技术进步,传统吸波材料难以满足隐身技术发展需求,在材料厚度、吸波能力、工作带宽等方面提出了更高要求。超材料(Metamaterials)是由人工结构通过特定排列形成的,具有与自然界媒质不同的电磁特性。随后超表面(Metasurface)被提出,由于其对电磁波的灵活调控功能成为了研究热点。并且超表面可以在超薄条件下对电磁波实现强吸收,为隐身技术提供了新的研究方向。针对宽带吸波器在1-2 GHz的空缺和电磁吸波功能单一的问题,本论文进行了宽带吸波器低频拓宽研究和电磁吸波与反射天线一体化研究,主要贡献如下:1.设计了两种基于电阻膜的超宽带吸波器。提出一种电阻膜涂覆泡沫基的多层结构型超材料吸波器。通过两侧薄、中间厚的泡沫基叠加,当厚度为50 mm时,在1-20GHz宽频带内实现90%以上吸波率。为了进一步减小吸波材料的厚度,提出一种蜂窝复合结构型超材料吸波器。将超材料与传统蜂窝材料进行复合设计,通过在蜂窝表面周期排列电阻膜构建复合结构,研究结果表明该复合结构在1-20 GHz实现90%吸波率时,厚度为13 mm。2.设计了一种双频双功能超表面,在低频处电磁吸波,在高频处作为反射阵面。构建了由C型环与圆环组成的多层超表面,利用C型环对相位的调控能力与圆环的谐振吸波能力,使该超表面在低频处具有窄带高效吸波特性,同时在高频处具有对电磁波反射相位进行360°的灵活调控的功能。该超表面对大角度入射电磁波具有良好吸波效果,且工作频带可任意设计。为了表征双功能超表面在两个频段内对吸波和反射相位独立调控的能力,在保证低频处吸波性能不变的情况下,在高频处分别设计实现了平面波和涡旋波的反射阵列天线。实验结果表明,所设计的高增益反射阵列天线,在14-16 GHz频带内增益大于24 d Bi。同样,在保证高频处天线性能不变的情况下,可以灵活设计低频处吸波频带,吸波性能良好。
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