基于金属-介质-金属的宽带超材料吸波体的研究与设计

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随着电子技术和通信产业的快速发展,工频、高频、微波段等大功率高场强辐射体与日俱增,这些人工电磁辐射泄露到环境中危害人体健康和生态系统,所造成的电磁污染问题也变得日益突出。目前,电磁辐射已被世界卫生组织列为继水源、大气、噪声之后的第四大环境污染源。具有奇异电磁特性的超材料吸波体,可以通过调控单元结构实现窄带的完美吸波,为解决电磁辐射问题提供了助力。因此,超材料吸波体在隐身武器、电磁防护和电磁污染治理等领域具有重要应用价值,而如何促进超材料吸波体实现宽带吸波,更好的发挥实用价值,成为人们当前研究的热点之一。本文基于金属-介质-金属的三层结构型超材料吸波单元,根据吸波体阻抗匹配和衰减吸收原理,提出了通过加载电阻的方法来扩宽超材料吸波体吸收带宽。仿真计算表明:加载电阻后的超材料吸波体相比于未加载电阻情况下,吸收率超过50%的带宽展宽了200倍,能够吸收从11GHz到32GHz的电磁波,其中吸收率超过90%的总带宽可高达9.62GHz。我们利用等效电路理论定性分析了加载电阻超材料吸波体能够实现宽频带、高吸收的原因。文中进一步详细讨论了结构的各种参数变化对吸收性能产生的影响,因而在设计宽带超材料吸波体时需要综合考虑各种参数变量的影响。我们利用S参数计算了超材料吸波体的等效电磁参数,验证了加载电阻超材料吸波体的合理性。为了进一步拓宽超材吸波体的应用范围和实用灵活性,宽带超材料吸波体的动态可调谐性需求也越来越迫切。本文讨论了加载电容器件对超材料吸波体吸波频段的可调谐性。仿真计算结果表明:电磁波垂直入射条件下,改变加载的电容值可有效调节吸收峰频点的位置。最后综合电容器件和电阻器件的优点,我们进一步设计了加载电容及电阻的宽带可调谐超材料吸波体。这种加载电容和电阻的宽带超材料吸波体结构表现出了良好的可调谐特性和宽带吸波特性。上述工作为宽带可调谐超材料吸波体的实用化设计奠定了基础。
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