基于ITO的超材料电磁调控技术研究

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超材料作为一种全新的材料设计理念,为功能性材料的发展提供了一种新的途径,通过对其谐振结构单元的形状、尺寸、排列规则的改变,可在特定频段内对人工电磁材料等效电磁参数的有效控制,从而实现电磁波实现定制化调控,其中电磁吸收和极化偏转的电磁调控手段是超材料电磁调控中被人们广泛关注的重点。现有的电磁屏蔽超材料大部分使用金属做为谐振结构以及硬质板做为中间介质层,很难适用于液晶屏幕、可视窗、显示器等需要可见光波段下用于观察的电磁屏蔽物体。为解决现阶段电磁超材料存在的工作频段短、调控方式单一以及透光性差等问题。本文从电磁超材料吸波器的吸波、极化偏转机理及分析方法出发,研究了超材料结构在微波频段对入射电磁波的吸收和极化偏转特性,通过优化设计相关结构参数,提出了一种宽频段柔性透明电磁超材料吸波器和双项电磁调控超材料吸波器,其主要内容包括以下三个部分:(1)设计了一种基于电阻膜ITO的柔性透明风车型电磁人工超材料宽带吸收器,基于等效电路模型分析了电磁波被吸收的机理,数值模拟发现该吸收器表面阻抗能在很宽的带宽内与空气阻抗近似相等,进而实现宽频吸收。在15.373GHz-42.093GHz达到了对入射电磁波90%吸收率,厚度为1.4mm。(2)在所设计的吸波器基础上研究了各向异性和各项同性结构对电磁超材料设计的影响以及介质介电常数、厚度对吸收器吸收性能的影响。并设计了方形开口环将风车型结构囊括其中,在实现了宽频带吸收的同时达到极化偏转的效果,在20.75GHz-54.05GHz内实现了将入射电磁波接近50%电磁吸收和接近50%的极化偏转,实现了在该工作频段内的入射电磁波的94.5%以上电磁隐身性能,厚度仅为1.05mm。(3)通过对所设计的两种电磁人工超材料吸波机理进行分析,并探究了等效阻抗和介电常数等对电磁超材料电磁调控性能的影响。利用微加工工艺将两种电磁人工超材料制作出样品,使用自由空间法对其的吸波和偏转性能进行测试,同时利用紫外可见光分光光度计测试了其透光性,得到在可见光波段,吸波器样品透光率接近75%,双项调控电磁人工超材料样品透光率接近80%,实现了基于柔性透明特性下对超宽频段电磁波的电磁调控。
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