超材料設(shè)計(jì)及其在吸波體和無(wú)線(xiàn)電能傳輸中的應(yīng)用研究.pdf

1、電磁超材料具有單一自然材料不可能具有的超常電磁特性。研究超材料的電響應(yīng)和磁響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)新型超材料結(jié)構(gòu)，豐富和拓展了超材料理論分析方法，進(jìn)一步推進(jìn)超材料在軍事隱身、集成光電器件、無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用研究。采用理論分析、電磁仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三者相結(jié)合，提出了超材料吸波體和用于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的負(fù)磁超材料設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用的探索研究。全文主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:
　?。?）基于工字型十字交叉結(jié)構(gòu)的金屬諧振環(huán)，設(shè)計(jì)了三

2、頻帶超材料吸波體。首先采用工字型十字交叉圓環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建單頻帶超材料吸波體，利用仿真進(jìn)行優(yōu)化分析?；谕昝雷杩蛊ヅ淅碚?，將三種相同形狀不同尺寸的金屬諧振環(huán)集成在一個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，依次設(shè)計(jì)出三頻帶吸波體?；诙喾瓷涓缮胬碚搶?duì)設(shè)計(jì)吸波體進(jìn)行定量分析，揭示了吸波體內(nèi)在物理吸收機(jī)制。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的超材料在9.85GHz、13.05GHz、14.93GHz三個(gè)頻點(diǎn)處均具有99％以上的吸收率。
　?。?）基于開(kāi)口雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了集總電阻元件加載

3、的寬頻帶超材料吸波體。基于集總元件增強(qiáng)電磁損耗的原理，提出了一種雙圓諧振環(huán)集總電阻加載的寬頻帶超材料吸波體，通過(guò)單元結(jié)構(gòu)表面電流、能量損耗分布等的仿真分析，直觀地展示了超材料電磁波吸收特性，定性分析其吸收機(jī)理。同時(shí)也建立了該結(jié)構(gòu)的等效電路模型，對(duì)比分析定性理解吸波體電磁波吸收機(jī)制。仿真探究了寬頻帶吸波體的極化吸收特性和斜入射條件下的吸收特性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸波體在8.87-16.47GHz范圍內(nèi)吸收率大于90%的相對(duì)帶寬達(dá)到60%

4、。
　?。?）電阻膜型高阻抗表面寬頻帶超材料吸波體設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種基于正八邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的電阻膜型超材料吸波體，通過(guò)等效電磁參數(shù)反演說(shuō)明了超材料吸波體和自由空間的完美阻抗匹配特性，吸波結(jié)構(gòu)表面電磁場(chǎng)和能量損耗分布直觀地、定性地解釋了其寬頻吸收機(jī)理。通過(guò)電磁仿真表征了超材料吸波體的極化和寬角度吸收特性，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有極化不敏感特性，在斜入射條件下仍能保持較高的吸收率?；诙喾瓷涓缮胬碚摱拷忉屃藢掝l吸波體的物理吸收機(jī)制，這是國(guó)內(nèi)外

5、報(bào)道中首次利用多反射干涉理論解釋寬頻帶超材料吸波體，拓展了多反射干涉理論的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，吸波體在3.65-13.93GHz范圍內(nèi)吸收率大于90%的相對(duì)帶寬達(dá)到117%。
　?。?）基于負(fù)磁超材料的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種基于開(kāi)口諧振環(huán)加載集總電容的負(fù)磁超材料。該結(jié)構(gòu)在諧振頻點(diǎn)16.30MHz等效磁導(dǎo)率值為-1，負(fù)磁導(dǎo)率超材料能夠放大倏逝波、“聚焦”電磁場(chǎng)，理論上可以提升磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率，通過(guò)電磁

6、仿真表征了加載超材料前后空間磁場(chǎng)分布特性，結(jié)果顯示超材料可以有效提升無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)接收端線(xiàn)圈的耦合磁通密度；搭建了一套16.30MHz的無(wú)線(xiàn)電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行系統(tǒng)傳輸性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試加載一塊和兩塊超材料的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率最高可分別提升10%和17%。依此進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)磁超材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于平面方形螺旋結(jié)構(gòu)加載集總電容的負(fù)磁超材料，通過(guò)理論分析、電磁仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)的負(fù)磁超材料在13.56MHz

7、附近等效磁導(dǎo)率為負(fù)值；搭建了一套13.56MHz的無(wú)線(xiàn)電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，在30cm傳輸距離下，加載超材料后的無(wú)線(xiàn)電能傳輸效率提升達(dá)到41.7%。采用燈泡負(fù)載對(duì)系統(tǒng)電效率進(jìn)行表征，燈泡負(fù)載的亮度也直觀地證明了負(fù)磁超材料對(duì)提升無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)效率的有效性。
　　超材料吸波體設(shè)計(jì)為新型吸波材料寬頻化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，首次將多反射干涉理論應(yīng)用在寬頻帶吸波體中并成功解釋了其寬頻吸收的物理機(jī)制，設(shè)計(jì)的各類(lèi)吸波體結(jié)