人工电磁材料太赫兹吸波器超薄宽频带单元结构设计研究

摘要

人工电磁超材料是由周期性亚波长金属谐振单元和介电材料组合构成的人工复合材料，它可以展现出一般自然材料所不具备的奇异电磁特性。目前，人工电磁超材料可应用于天线、微波电路、电磁隐身、电磁吸波等领域，是国内外的研究热点。在本文中，我们研究了太赫兹波段的人工电磁材料吸波器，完成了用等效电路理论对其进行分析的工作并解释了其吸波机理，并且，对太赫兹吸波器宽带单元进行了研究和设计。完成的工作如下：
　　1.建立了人工电磁材料双频点太赫兹吸波器的等效电路模型，并由微波传输线理论推导求解出双频点等效电路中集总元件值RLC的计算公式。在众多对于人工电磁材料吸波效应的理论解释中，基于微波传输线理论的等效电路分析方法能够精确描述吸波器单元结构分布参数与集总元件值之间的关系。据此，我们设计了谐振频率分别为1.5THz和3THz的圆环和十字架组合单元结构双频点吸波器。根据全波电磁仿真结果计算出等效电路中的集总元件值并搭建电路，电路仿真计算结果与全波电磁仿真计算结果一致，验证了所建立双频点等效电路的正确性，从而用电路理论解释了双频点太赫兹吸波器的吸波机理。
　　2.提出了E型贴片结构的宽带吸波单元。传统的宽带吸波器通常用窄带谐振单元堆叠构成多层吸波器以展宽吸波带宽。E型贴片结构是微带天线设计中的宽频带单元，我们成功地将其应用在宽带吸波器设计中。利用结构自身形成的双峰谐振特性，设计出来的吸波单元90％吸收效率的相对带宽约为7.68%，相比于传统的窄带吸波单元，相对带宽提高超过了100%，而且其整体厚度仅为中心波长的1/50，具有超薄的特点。
　　3.设计了顶层由两个不同尺寸E型贴片共面组合的宽带人工电磁材料太赫兹吸波器，即利用共平面组合结构来扩展吸波器的吸收带宽。该吸波结构形成了4峰谐振特性，其90%吸收效率的相对带宽约为12.75%，即通过不同贴片单元吸收峰的叠加实现了带宽吸收效果，同样也具有超薄的特点。
　　4.基于吸收峰叠加原理，设计了基于E型贴片的多层宽带人工电磁材料太赫兹吸波器。通过将3个结构相同但是尺寸不同的E型贴片堆叠成金字塔形吸波结构，设计出了一种太赫兹宽频带吸波器。该吸波结构形成了6峰谐振特性，其90%吸收效率的相对带宽约为28.26%，具有优异的宽带吸收特性。同时，该吸波器虽然是一个多层结构，但其整体厚度是中心波长的1/9，仍然远小于四分之一波长。

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第一章 绪论

1.1人工电磁超材料概述

1.2太赫兹概述

1.3人工电磁材料太赫兹波器件研究进展

1.4论文章节安排

第二章 基于频率选择表面的人工电磁材料吸波器

2.1人工电磁超材料

2.2频率选择表面

2.3人工电磁超材料吸波器

2.4本章小结

第三章 等效电路分析人工电磁材料太赫兹双频点吸波器

3.1单频点太赫兹吸波器

3.2双频点太赫兹吸波器

3.3等效电路分析单频点太赫兹吸波器

3.4等效电路分析双频点太赫兹吸波器

3.5本章小结

第四章 E型贴片宽带吸波单元结构设计

4.1引言

4.2矩形贴片窄带吸波单元结构人工电磁材料太赫兹吸波器

4.3 E型贴片宽带吸波单元结构设计

4.4共面组合结构宽带人工电磁太赫兹吸波器

4.5本章小结

第五章 基于E型贴片的多层宽带人工电磁材料太赫兹吸波器

5.1引言

5.2基于多层相同结构相同尺寸的太赫兹吸波器设计

5.3基于多层相同结构不同尺寸的太赫兹吸波器设计

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢