資料介紹
1 引言
電磁波吸波材料中,Salisbury屏的理論已經提出有相當長的時間,因為其結構簡單,在一定范圍內吸波效果良好,圍繞其開展的各項研究一直受到相關研究人員的重視。南京大學伍瑞新等就金屬薄膜構成的Salisbury屏反射率的高頻響應與相關諸因數的關系進行了詳細的分析。使用經過優化設計的多層Salisbury屏來拓展吸波頻帶寬度,用特殊的金屬膜技術實現透明吸波材料,利用有源FSS實現自適應的Salisbury屏等等改良Salisbury屏的研究工作也層出不窮。究其原理,都是利用了吸收諧振時分界面附近的電磁場能量,從而達到吸波的作用。由于一般Salisbury屏的介質基底厚度限制在諧振波長的四分之一,這種類型的吸波結構,在縱向尺寸上有很大的局限性,而且需要金屬屏蔽體作為襯底,也限制了其在很多方面的應用。雖然磁性材料可能極大地減小吸波屏的厚度,但嚴格復合要求的磁性材料目前還難以制備。相比而言,電損耗材料容易獲得,制作工藝簡單,更有實際意義。
早在1967年,前蘇聯理論物理學家Veselage假想了一種介電常數和磁導率同時為負值的介質,將它稱為“左手材料”(left-handed materials簡稱LHM),并預言了一系列奇妙的性質。其論文先以俄文在前蘇聯一個學術刊物上發表,次年被翻譯為英文發表在《蘇聯物理學進展》,但隨后30年都無人問津。直到英國皇家學院院士Pendry教授重新開啟了這方面的研究,并于1996年后發表了一系列關于如何人工合成LHM的論文。 2001年既由加州大學圣迭戈分校物理系的Smith等在微波實驗中首次實現。他們采用細長金屬導線陣列(類似光子晶體結構)來提供等離子體型的介電系數,而用開口的諧振環(SRRs)感應出環電流模擬磁矩從而產生負的磁導率。兩種結構具有人工周期性和遠小于波長條件下的局域諧振兩個特點。本文作者曾研究過單負介質組合情況下出現的寬帶亞波長諧振現象,可以設想,利用這種亞波長諧振時能量集中于分界面的特點,如果能夠在恰當位置放置一電阻屏吸收電磁能量而不破壞諧振條件,即能構造出寬帶超薄電磁波吸收材料。實際上,N.Engheta和F.Bilotti等人已經在做相關的研究,而國內尚未有這方面研究的報道。研究中我們發現,平面微波光子晶體和開口諧振環的局域諧振特點也可以分別用來實現單元尺寸遠小于波長的薄的電磁波吸收體,也就是本文將要闡述的主要內容。
2 基于Metamaterials局域共振的吸波應用
2.1 PBG構成的吸波結構
如圖1(a)所示的復合吸波結構,由平面微波光子晶體、介質隔離層和金屬底板構成。圖1(b)所示為PBG結構的部分單元,其中黑色部分為導電貼片。當貼片單元尺寸遠小于波長時,其等效電路形式如圖2。
電磁波吸波材料中,Salisbury屏的理論已經提出有相當長的時間,因為其結構簡單,在一定范圍內吸波效果良好,圍繞其開展的各項研究一直受到相關研究人員的重視。南京大學伍瑞新等就金屬薄膜構成的Salisbury屏反射率的高頻響應與相關諸因數的關系進行了詳細的分析。使用經過優化設計的多層Salisbury屏來拓展吸波頻帶寬度,用特殊的金屬膜技術實現透明吸波材料,利用有源FSS實現自適應的Salisbury屏等等改良Salisbury屏的研究工作也層出不窮。究其原理,都是利用了吸收諧振時分界面附近的電磁場能量,從而達到吸波的作用。由于一般Salisbury屏的介質基底厚度限制在諧振波長的四分之一,這種類型的吸波結構,在縱向尺寸上有很大的局限性,而且需要金屬屏蔽體作為襯底,也限制了其在很多方面的應用。雖然磁性材料可能極大地減小吸波屏的厚度,但嚴格復合要求的磁性材料目前還難以制備。相比而言,電損耗材料容易獲得,制作工藝簡單,更有實際意義。
早在1967年,前蘇聯理論物理學家Veselage假想了一種介電常數和磁導率同時為負值的介質,將它稱為“左手材料”(left-handed materials簡稱LHM),并預言了一系列奇妙的性質。其論文先以俄文在前蘇聯一個學術刊物上發表,次年被翻譯為英文發表在《蘇聯物理學進展》,但隨后30年都無人問津。直到英國皇家學院院士Pendry教授重新開啟了這方面的研究,并于1996年后發表了一系列關于如何人工合成LHM的論文。 2001年既由加州大學圣迭戈分校物理系的Smith等在微波實驗中首次實現。他們采用細長金屬導線陣列(類似光子晶體結構)來提供等離子體型的介電系數,而用開口的諧振環(SRRs)感應出環電流模擬磁矩從而產生負的磁導率。兩種結構具有人工周期性和遠小于波長條件下的局域諧振兩個特點。本文作者曾研究過單負介質組合情況下出現的寬帶亞波長諧振現象,可以設想,利用這種亞波長諧振時能量集中于分界面的特點,如果能夠在恰當位置放置一電阻屏吸收電磁能量而不破壞諧振條件,即能構造出寬帶超薄電磁波吸收材料。實際上,N.Engheta和F.Bilotti等人已經在做相關的研究,而國內尚未有這方面研究的報道。研究中我們發現,平面微波光子晶體和開口諧振環的局域諧振特點也可以分別用來實現單元尺寸遠小于波長的薄的電磁波吸收體,也就是本文將要闡述的主要內容。
2 基于Metamaterials局域共振的吸波應用
2.1 PBG構成的吸波結構
如圖1(a)所示的復合吸波結構,由平面微波光子晶體、介質隔離層和金屬底板構成。圖1(b)所示為PBG結構的部分單元,其中黑色部分為導電貼片。當貼片單元尺寸遠小于波長時,其等效電路形式如圖2。
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