英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
完美的超材料吸波器
新生的电磁超材料领域已经产生出新的效应，如负折射率和电磁隐形（斗篷）设备。这些特性的实现取决于人工合成的材料对于入射的电磁波表现出独特的电磁特性。电磁超材料的几何尺寸可扩展，可以转化为在电磁频谱可操作的一个重要部分。迄今为止，电磁超材料已经被广泛的应用在各种与科技相关的电磁波范围，从无线电，微波，毫米波，太赫兹，中红外光，近红外光等。这些已设计出的电磁超材料用来研究新颖的物理现象的是理想的。同时它也将是未来的应用的热点。
作为一种有效的媒介，电磁超材料可以用复数形式的介电常数 和磁导率描述。人们把大量的工作集中在电磁超材料复介电常数的实部和复磁导率的实部从而创造出一种负折射率的超材料。然而，经常被忽视的光学参数和对于创造新型的和有用的超材料有更大的潜力。例如，调节和来做一个吸收系数更高吸波器。通过分别调节和，它们有可能吸收入射的的电场和磁场。此外，通过匹配和，超材料可以和自由空间的阻抗匹配，从而使反射最小。在这篇文章中，我们展示了用超材料来制作出窄带的完美吸波器。它有可能被用在辐射热测定器等设备中。
吸波器的一个结构单元是由两个独特的金属元件构成的，正如图一中的（a）和（b）所示。电耦合是由电场环形谐振器提供的，如图一（a）所示。
这个元件由两个标准开口环谐振器组成，通过平行于开环元件的感应环连接在一起。我们用这样的设计来代替传统的开环设计因为直导线的限制；例如，开环的设计限制了可调谐性之外，每个单元结构需要增加电线来提高电感。磁耦合时，它的排列更为复杂。因此为了耦合入射的磁场， 我们需要通量（由反复充放电产生的）垂直于传播矢量。我们在一个平行于基片的平面将环形谐振器和基片分离，在环形谐振器的中心线上切出一条细线（图一（b）所示）创造出这种响应。这个类似于所谓的“渔网”和成对的纳米棒结构。因为它们用两个相反的电流来激励磁场。这样我们就能够通过改变切割线的几何形状和切割线距离来优化磁响应。我们在不改变环形谐振器的基础上，调节磁耦合。我们可以调节参数和，分别使其达到共振状态。
我们在电脑上用商业软件CST微波工作室通过有限时域积分法模拟仿真了一种理想但是可实现的超材料吸波器。这个程序用适当的边界条件仿真了如图一（c）所示的一个结构单元；例如Y-Z平面和X-Z平面。波导端口另一个边界条件仿真了通过媒介传播的TEM平面波。仿真产生复杂的与频率相依赖的参数，和，和分别代表传输参数和反射参数。从参数中，我们倒推菲涅耳方程提取光学参数。然后我们检查表面电流密度，磁场和电场的在频率为的表现来检查我们将要耦合的每一个超材料正确的共振模式。由于两种超材料结构，我们通过调节介电常数和磁导率改变共振时的角频率，我们总结出当时，超材料结构的阻抗和自由空间的阻抗几乎一致。虽然的吸波器在理论上是存在的，但是只有在电磁超材料和自由空间的阻抗匹配时，即就是传输系数时。然后使传输系数的值最小，通过增加多层结构可以确保传输系数趋于。仿真电磁超材料的尺寸，单位为毫米（）:，，，，，，，电磁超材料在方向截止。在图二中，我们看到完美电磁超材料吸波器的仿真结果。和吸收系数在左轴上从划变化到，而右轴上的传输系数从变化到。在到之间，反射系数最大边界值大约在左右，但是当频率在GHz时，传输系数的极小值为。仿真的传输系数也在附近有一个较小值。这样我们就得到了最佳的吸收系数在。
虽然我们仿真的窄带吸波器有非常高的吸收参数，但是我们仍然受限于线的宽度（其最宽可达到um），此外还有其它各种各样的加工误差。这些因素都会出现在制造的过程中，我们制造出一款和理想吸波器误差很小的吸波器。它的尺寸：，，，，，，，单位是毫米（mm）。每个金属片都是用mm的电磁超材料FR—4做成的。电磁超材料是用标准的光学切割术切割制成的。这个基片是在厚的铜板上涂覆感光的FR-4材料制成的。这个样本被设计并且印制在高分辨率的有机玻璃上，每一个电磁超材料都是由光学光刻技术制造而成的。用的粘合剂将这些板子和的厚的FR-4电磁材料粘合在一起确保正确的间距。最后的结果是电磁超材料结构在方向的出分离。这就要求我们结合电场和磁场的共振而不是用（非平面得。。结构）
我们在实验上通过测量大型平面阵列的复参数验证了吸波器的性能(平面阵列的规模是)。我们用矢量网络分析仪来产生范围在GHz的微波。用一个微波喇叭将GHz的微波聚焦在样品上，再用另一个微波喇叭作为检测器。两个喇叭都是耦合于线性极化并且都平行于极化方向。为了测量传输参数，我们将喇叭设置为正常的入射聚焦配置。我们推算了在正常入射情况下反射参数的测量值。然而，我们为了消除电压驻波比(VSWR)对数据的造成偏大的误差,我们使用了一个电磁波分束器装置，正如在图三（a）中所示。电磁波首先从传输喇叭辐射出来经过电磁波分束器装置，从样品板上反射回来，然后返回到分束器，分束器将 的能量送回到接收喇叭。我们仅仅通过移动样品，调节传输参数的标准和相位。对于反射系数的测量，我们用一个完美的反射器替换样品来完成标准化的测量。传输技术已经在之前叙述过了。
我们已经仿真了这款电磁超材料结构，并且将仿真数据和实验数据进行了比较。反射参数在图三（a）中用红线表示。在低频范围内，反射参数的值很高并且接近。反射参数曲线有一个特点，在GHz时它的值有极小值为。同样地，传输参数在图三（b）中用红线表示，在低频段其值大约在，然后频率为GHz时，它
有一个极小值。因此在反射参数和传输参数都取去极小值时，这款电磁超材料的单元结构的吸收率有最大值。我们在图四中用红线绘出了在GHz微波频段内，吸收参数的随频率变化的曲线图。仿真的吸收参数在GHz时，其峰值在，并且其有的半峰全宽。
通过推算仿真的参数，我们可以对实验数据的形式作出解释。测量的反射参数和传输参数分别在图三的（a）和（b）中用蓝线绘出。我们发现在整个频段内仿真的和实验的传输参数拟合的非常完美。而在低频段的反射参数实验数据要比仿真的数据值低。仿真的反射参数和实验反射参数均大约在GHz达到极小值，但是实验的反射参数极小值是，比仿真的数据高3个百分点。和仿真的数据相比，实验的数据比其明显的扩大了，主要是在制造和装配的过程中产生的误差造成的。
实验的吸收率可以通过图四中的反射参数和传输参数来计算。仿真的和实验的吸收系数曲线均在GHz时有最大值。但是仿真曲线的最大值是，而实验曲线的最大值是，差值主要是由于反射参数的偏差造成的。更好的制造技术和高精度的装配会使吸收率和带宽曲线（图四灰色）更相似于仿真曲线（图四红色）。我们推算了仿真数据来验证吸收参数扩大的原始值。从理论上说，我们猜想吸收系数峰值的频率点主要取决于电场环形谐振器和切线之间的距离，因为这个距离决定了磁场谐振频率。我们通过仿真验证了这样的猜想。我们仿真了设计值为，间距不同时参数。并且计算了标准误差时吸收参数 高斯加权平均值。用这种方式计算的吸收参数和图四中实验数据曲线拟合的很好。因此，在电磁超材料间距中仅仅的装配误差就能够轻易的解释图四中红线仿真数据和蓝线实验数据之间的误差。
一项关于增加电磁超材料吸收层数的研究正如图5（主要的。。）所示。正如我们观察到的，将噪声计算在内时，随着吸收层数的增加，吸收率迅速的上升，最后保持不变。叠加两层结构的电磁超材料吸波器，其吸收率就可以达到。这个厚度仅仅相当于整个超材料吸波器谐振波长的一半。对于图一中所展示的吸波结构，由于电磁超材料不能和自由空间的阻抗完全匹配，吸收率不可能达到这么高。然而，最重要的是我们要注意到，尽管阻抗匹配时反射系数趋于，但是这并不意味着传输系数。在这个研究中，我们要在一个单元结构的传播方向使。因此，在厚度最小的限制下，我们的超材料结构要得到最大的优化。如果这个限制被放宽，并且阻抗匹配就可以实现，用我们的多层吸收结构，就可以获得完美的吸收率。
我们更深入的研究了我们电磁超材料的损耗源，就像图5中的插图所示。表面的欧姆损耗主要来源于环形谐振器中心的传导区，介质损耗主要发生在两个超材料结构电场最强的地方。在我们超材料结构中主要损耗是电介质损耗。仿真的结果表明电介质损耗的量级远远高于欧姆损耗。这和我们在频率选择表面中的研究结果是相同的。它也表明了金属所吸收的能量相比较于电介质损耗可以忽略不计。
我们现在探讨一个完美的电磁吸波器作为辐射热测定器的潜在应用。一个理想的测辐射热的探测器是当光子照射到其表面时可以被完全吸收，转化成热，因此可以被探测到。商用的辐射热测定器最大的特点是它们超宽带使他们成为理想的探测器，尤其是在远红外频段内，其他的一些有效的探测方法也被广泛使用。然而，具有窄带响应辐射热测定器在成像的焦平面阵列探测器方面也有重大应用。这里所描述设计出的超材料结构和仿真的吸收性能几乎相同，这就使它成为热辐射像素元件理想的候选者。对于焦平面阵列探测器的一个显著特点是自然窄带超材料谐振，它在室温下可以自然的氧化和（运转）。因为组成辐射热测定器元件是亚波长的电磁波，所以超材料可以在绕射的限制下本能地反映出来。更深入的讲，我们仅仅在传播方向用了一个结构单元（值得注意的是其厚度比谐振波长还要小），但是实验的吸收率达到了。通过级联多层结构，这样它就成为一个统一的窄带吸收器。尽管这个设计是平面结构，并且吸收系数将会迅速下降，我们研究角度的依赖性（如图四中的插图所示），结果表明当入射全角度在时，吸收系数仍然能达到。最终电磁超材料的可扩展性使得其它范围内的波长能在完美吸波器中使用。它也使段波和频率的波在室温下的高分辨率成像成为可能。我们已经设计了相似的超材料结构（并没有绘出它的图像），它在和吸收率达到了。
尽管用超材料制作吸波器的想法很新颖，但是在微波频段内制作可吸收的材料的技术已经很成熟了。一个接地的高阻抗平面结构想要获得比较理想的吸收率，但是要求在传播方向渡金属层。奇诺盾材料具有很高的吸收特性，并且它可以减少的反向散射，但是它的尺寸是取决于波长，我们规定它为我们设计中心频率波长的35倍。一些铁氧体材料的反射损耗低到，但是它们不具有超材料固有的和精准的可调谐性。其它关于测辐射热频率选择材料的产品需要在低温下工作并且它的系数率最高能达到。光学上，金属胶体由于其表面的几何形状结构使其有很好的吸收性能。这就表明了它就有可能成为一种人工等离子体电媒质的应用来工作就像完美吸波器工作在微波频段。
总之，我们已经论证在窄带频率范围内电磁超材料的高吸收性。这主要是源于设计的超材料元件的性能能够独立地吸收入射电磁波的电场和磁场分量。相反，之前的实验结果表明在频用一个单一类型的超材料元件其吸收率的值仅约为。电磁超材料的谐振频率可以在一些频率范围内调整从而进行高光谱成像。超材料提供了一个更大的好处是我们有能力在它可扩大的频率范围内构造一个单元结构。这样，这个单元结构能够达到零反射，即，因为它的阻抗和自由空间的阻抗相匹配。它符合我们已知的理论概念——完全匹配层的吸收边界条件，它可以将边界上的入射波分为电场和磁场分量把它几乎完全吸收。但是完全匹配层需要增加，此外在厚度上需要增加的超材料。
这里所陈述的设计仍然可以改善。当前的设计是极化敏感的，这对一些应用来说是不理想的。通过融合具有高介电常数的物质，我们可以在正确的共振频率下优化这个设计。同样，更小的制造误差会使阻抗匹配更完全，因此吸收率会更接近于。除此之外，组装复杂是由于入射波的方向需要和磁场共振器耦合的限制。结果就造成了单元结构的差异和吸收率的峰值变小。N. I. L.和W. J. P. 收到了来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的支持LDRD计划的支持。D. R. S. 收到了MDA合同号为W9113M-07-C-0078的赞助。D. R. S.，S. S.和J. J. M.共同得到了由美国空军科学研究办公室合同编号为FA9550-06-1-0279的赞助。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[30968]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
