基于周期结构的低频带吸波材料设计

摘要

低频吸波材料是指能够有效吸收并衰减入射的低频电磁波的一类材料，其核心是在轻的重量、较薄的厚度下获得宽频带高效率的吸收性能。拓展吸收带宽、突破低频吸收瓶颈成为当前电磁波吸波技术领域亟需解决的核心问题。吸波超材料结构与传统的吸波结构相比，具有几何尺寸小的优势，更利于在实际情况中的应用；本论文首先以周期低频吸波结构为研究对象，对其低频吸收特性和相应物理机制进行了一些分析，并且针对现有吸波结构的材料厚度较大、频带较窄的问题，对基于Non-Foster电路的低频宽带吸波结构进行设计，提出一种宽带、高效吸波周期结构的设计方法。 本文以有源和无源周期吸波结构为研究对象，建立等效电路模型，通过对其表面电流和场分布进行分析，揭示了低频周期吸波结构的宽带吸波机理，主要有以下研究内容： 1.主要设计了几种周期电阻膜吸波结构（方形，非均匀方形）在吸收性能变化规律，针对不同的图形结构，结合结构的表面电流和场分布建立合理的等效电路模型；其次，根据所提出的等效电路模型，分析产生吸收性能变化的原因。分析当结构的结构尺寸参数发生改变时，其等效电路参数发生相应的变化，导致谐振频率发生改变。通过非均匀电阻膜的结构设计在0.68GHz和0.70GHz频率取得较好吸收。 2.主要设计了几种金属型周期吸波结构（单层、多层）的吸收性能变化规律，针对不同的图形结构，结合结构的表面电流和场分布建立合理的等效电路模型；其次，根据所提出的等效电路模型，分析产生吸收性能变化的原因。分析当结构中加入贴片电阻时，其等效电路参数发生的相应变化，分析导致谐振频率发生改变的原因。其中通过多层结构设计得到70%的吸收带宽为0.85GHz-1.4GHz,极大拓宽了频带宽度。 3.针对传统金属图案型的吸波结构，本文提出了一种基于Non-Foster电路模型的周期吸波结构，根据传输线理论和阻抗匹配的概念仿真设计出具有确定值的负电容或是负电感，在0.18-5.0GHz范围内实现了-10dB反射系数，根据整体结构的场分布结合等效电路理论分析其产生宽频带的原因。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 吸波材料

1.2.1吸波材料的分类

1.2.2常见的吸波结构

1.3 国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4论文特色与创新点

1.5 本论文的结构安排

第二章 吸波超材料及Non-Foster电路的理论基础

2.1 引言

2.2吸波超材料理论基础

2.2.1 吸波结构中的传输线理论

2.2.2周期吸波结构的等效电路模型

2.2.3电磁参数反演法

2.3 Non-Foster电路的理论基础

2.3.1 Foster电抗理论

2.3.2 Non-Foster元件特性

2.3.3 Non-Foster电路的实现

2.3.4 Non-Foster电路系统稳定性

2.4本章小节

第三章 无源低频周期吸波结构的设计与分析

3.1 方形电阻膜周期低频吸波结构的设计

3.1.1 单元结构的设计与仿真

3.1.2 吸波机理分析

3.2 非均匀周期低频吸波结构的设计与分析

3.2.1 单元结构的设计、仿真与分析

3.2.2 实验测试流程

3.2.3 实验结果及数据分析

3.3 单层金属图案周期低频吸波结构的设计与研究

3.3.1 单元吸波结构的设计与仿真

3.3.2 单元吸波结构的参数扫描

3.3.3 单元吸波结构的设计与仿真

3.4多层周期低频吸波结构的设计与研究

3.4.1单层单元结构的设计与仿真

3.4.2双层单元结构的设计与仿真

3.4.3加载电阻对吸波性能的影响

3.5 本章小结

第四章 基于负元件的低频吸波结构设计

4.1 传统Salisbury屏的结构设计

4.2 基于Salisbury屏的Non-Foster吸波结构设计

4.3加载负元件的薄层吸波结构设计

4.3.1加载负元件的薄层吸波结构设计方法

4.3.2 Non-Foster电路的实现

4.3.3 加载Non-Foster电路系统稳定性

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果