新型超材料功能器件設計與應用研究.pdf

1、設計開發(fā)新型超材料功能器件以及研究超材料對傳統微波器件的改進作用已成為目前國際上最前沿的科學熱點,本文以超材料為背景,研究內容包括:超材料吸波體,用于太赫茲檢測領域的分形開口環(huán)諧振器,由諧振型復合左右手傳輸線構建的耦合線型耦合器。主要工作有以下四個方面:
　　1、提出了兩種分別以科赫(Koch)、謝爾賓斯基(Sierpinski)分形曲線為諧振單元的新型超材料吸波體(metamaterial absorber, MA),實現了雙頻

2、吸收、單元尺寸小型化、極化不敏感和吸收性能受入射角影響小的優(yōu)異性能。本文中設計的分形MA與基于傳統結構的MA相比存在三個較為顯著的優(yōu)勢:一、與傳統MA實現雙頻吸收所采用的組合法和層疊法不同,分形MA的雙頻特性來源于自身結構的自相似性,其諧振陣列結構中的所有單元都具有相同的形狀、相同的尺寸且都處于同一平面上,所以克服了組合法中存在的單元尺寸較大、層疊法中存在的吸波體厚度增大等缺點。二、源于分形結構的空間填充性,在相同吸收頻率下分形MA相比

3、傳統MA具有更小的單元尺寸。三、在相同單元尺寸下,分形MA的第二吸收頻率比傳統MA的吸收頻率要高,利用這個特點可以突破傳統MA的吸收頻率上限,在相同加工精度下制造出吸收頻率更高的光波段MA。文中分別采用等效介質理論和干涉理論對分形MA進行了詳細的分析,并設計了兩種分別工作于微波、太赫茲頻段的Sierpinski分形MA,發(fā)現這兩種頻段下的分形MA在吸收性能和單元尺寸壓縮能力方面具有較好的一致性,驗證了 MA是一種具有縮比性的諧振結構。<

4、br>　　2、提出了一種以非頻變結構(frequency independent structure, FIS)—四臂阿基米德螺旋為諧振單元的MA。FIS是一種具有與分形自相似性性質類似的結構,由于不具備分形的空間填充性,其在單元尺寸小型化方面沒有優(yōu)勢,但仍能實現與分形 MA類似的三頻吸收、極化不敏感和吸收性能受入射角度影響小的優(yōu)異性能。提出并分析了MA諧振陣列的填充率問題,發(fā)現在以吸波體厚度增大為代價下,填充率僅為25％的稀疏陣列結構

5、仍然可以獲得與全填充陣列相似的吸收性能。這種多頻單元+稀疏陣列的結構最大優(yōu)勢在于通過在未填充區(qū)域填充以調諧單元,可以進一步增加多頻MA的吸收頻段或拓展已有吸收頻帶的寬度。通過采用這種方法,在本文中分別設計了一種具有七個吸收峰的 MA和一種能同時在三個頻段展寬吸收頻帶的MA。
　　3、分析了開口環(huán)諧振器(split-ring resonator, SRR)用于太赫茲檢測的靈敏度問題,發(fā)現TE極化下源于LC共振的諧振頻率與TM極化下源

6、于偶極子共振的諧振頻率相比,在檢測靈敏度方面并無優(yōu)勢。在被測物厚度和介電常數的影響下,這兩種諧振頻率具有相似的變化趨勢,而真正影響靈敏度高低的是檢測頻率:檢測頻率越高,其受被測物影響所產生的頻率偏移量就越大,靈敏度也就越高。將Sierpinski分形曲線應用于傳統SRR結構中,在TM極化下,分形結構的高次諧振頻率在相同單元尺寸下比傳統SRR結構的諧振頻率要高,在本文中利用這個特點,發(fā)現在相同被測物影響下,一階 Sierpinski分形

7、SRR第二諧振頻率處的檢測靈敏度最大。
　　4、設計分析了一種以諧振型復合左右手傳輸線(composite right-/left-handed transmission line, CRLH TL)為耦合線的耦合器結構。CRLH結構的特點是同時具有左手傳輸頻段和右手傳輸頻段,并且在兩者之間存在一個β=0、α>0的傳輸禁帶。與傳統耦合線型耦合器的耦合度與βl相關的工作原理不同,CRLH耦合器的耦合度由αl決定,可由公式證明,當αl

8、足夠大時,CRLH耦合器的耦合度可以達到0 dB,實現全耦合。諧振型CRLH耦合器的設計過程共分三個步驟:首先提取CRLH單元結構的等效電路參數用以分析 CRLH結構的內在物理機制,然后分析了“平衡態(tài)”CRLH TL的實現方法,最后以此構建了CRLH耦合器結構。該型耦合器在1.96 GHz處取得最大耦合度Cmax=0.52 dB,3 dB耦合帶寬約為25.8％。通過調整CRLH TL的結構參數,在本文中還設計實現了一種3 dB CRLH