【摘 要】
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随着电子技术的迅猛发展,军事和民用领域对微波功能材料提出了更高的电磁性能需求。超材料具备灵活的结构设计特性,促进了它在电磁波调控领域的发展。本论文进行电磁超材料设计,探讨其相位调控、极化转换和电磁散射特性;开展材料本征损耗与相位对消等机制复合作用的电磁特性调控,实现雷达波宽频、高效的低反射材料设计。主要研究内容及结论如下:基于几何相位调控,研究了超材料的极化转换和电磁散射特性。设计两种单元结构:优
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随着电子技术的迅猛发展,军事和民用领域对微波功能材料提出了更高的电磁性能需求。超材料具备灵活的结构设计特性,促进了它在电磁波调控领域的发展。本论文进行电磁超材料设计,探讨其相位调控、极化转换和电磁散射特性;开展材料本征损耗与相位对消等机制复合作用的电磁特性调控,实现雷达波宽频、高效的低反射材料设计。主要研究内容及结论如下:基于几何相位调控,研究了超材料的极化转换和电磁散射特性。设计两种单元结构:优化开口方环单元获得横纵轴方向电磁波接近180°的相位差,实现圆极化调控;优化开口圆环单元获得对角线方向电磁波接近180°的相位差,实现线极化转换和圆极化调控。构建单元阵列,开口方环阵列和开口圆环阵列分别在7.8～14.8 GHz和6.1～13.8 GHz反射率小于-10 d B,实验样品性能与仿真结果一致。单元阵列的电磁散射源于单元结构的相位对消。基于几何/传输相位调控,设计了一种工作频带可调的超材料。在单元结构中引入相变材料二氧化钒,通过绝缘态-金属态转换来调控几何相位与传输相位,获得不同频段相位相反的单元。设计单元阵列,在25℃和75℃之间,反射率小于-10 d B的频带在6.7～10.5 GHz和14.4～17.2 GHz转换。采用磁控溅射制备样品,通过两个温度点的切换,实现了工作频带的可调性。其机制为单元阵列有两种独立的相位调控模式,在不同频段实现几何/传输相位对消。进行相位调控超材料与磁性吸波材料的复合设计,形成了超材料相位调控与材料本征损耗特性的叠加。设计4种单元结构,实现极化转换的同时存在90°相位差;构建单元阵列,其中相位对消单元的比例决定阵列的反射特性。将单元表面金属图案应用于磁性吸波材料,验证相位对消单元的比例对材料工作频带的可调性,最优组合在2.7～18 GHz反射率小于-10 d B,实验结果与仿真结果相吻合。该研究将散射与吸收两种机制叠加,实现了宽频、高效的低反射材料设计。开展相位调控超材料与耐高温介电吸波材料的复合设计,形成了高温环境下超材料相位调控与材料本征损耗特性的叠加。制备介电特性温度稳定性好的吸波材料,将金属结构与材料组合成单元结构,其对角线方向电磁波相位差接近180°,实现极化转换。单元阵列在25～700℃、8.2～12.4 GHz反射率小于-10 d B,实验样品呈现出从常温到高温的低反射特性。该研究将极化转换与吸收两种机制叠加,实现了宽温度范围的宽频、高效的低反射材料设计。提出散射与吸收一体化超材料结构设计方法,形成了相位调控与本征损耗的协同作用。构建两种单元结构,实现了材料的本征损耗性能与单元间的相位对消特性。将单元组合为单元阵列,优化单元吸收特性、单元阵列散射特性、及其吸收与散射加和特性,获得1～4 GHz反射率小于-10 d B、4～8 GHz反射率小于-20 d B、8～18 GHz反射率小于-40 d B性能。采用3D打印制备样品,实验样品性能与仿真结果基本一致。该设计进一步扩宽材料工作频带,对低反射材料技术具有指导意义。
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