超材料的电磁特性与应用研究

陈曦, 国防科学技术大学 发表时间:2013-04-01 博士

超材料是一类具有自然界中材料所不具备的超常物理性质的等效均匀人工复合结构或复合材料超材料的出现极大地扩展了可实现的媒质空间,其独特的电磁特性令其在民用领域和军事领域拥有巨大的应用潜力。本文深入研究了超材料的等效媒质理论,并在此基础上对超材料在电磁隐身、电磁吸波以及天线中的应用进行了有意义的探索,得到了一系列有价值的成果。主要工作有以下几点:1.通过普通媒质分析了NRW方法中取值单值性和厚度谐振问题,研究了典型超材料单元在不同极化电磁波入射条件下的本构参数。2.提出了基于H...


基于声学超材料的新型隔声技术研究

高东宝, 国防科学技术大学 发表时间:2013-05-01 博士

声学超材料是近年来理论声学领域发展起来的一个方兴未艾的热点方向。由于声学超材料具有不可替代的声波控制功能,使它成为了众多具有奇异特性的声学功能器件的实现途径之一。基于声学超材料的声学功能器件设计过程也是功能-结构-材料一体化设计过程的典型代表。本文以声学超材料为基础,对多种新型隔声技术进行了理论与实验研究。根据隔声装置的声场特性,将其分为无散射和有散射两种情况。在无散射装置中,声波不但不会进入隔声区域,同时在隔声装置外也不会产生散射波,声隐身衣是其中一个最具代表性的结构。相...


多频电磁超材料关键技术及应用研究

钟靖平, 电子科技大学 发表时间:2013-09-15 博士

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一种自然界不存在的、具有奇异电磁特性(包括负折射、逆多普勒频移、逆切伦科夫辐射等)的人工合成结构型材料,其在电磁学、光学、材料学等物理领域以及无线通信、电子工程等工程领域具有极其重要的应用前景,从2000年始首个微波频段电磁超材料实现后至今,已受到国内外研究学者的广泛关注。近十年已报道的合成电磁超材料的方法主要有平面传输线结构、金属谐振结构、全介质结构等实现方式,光子晶体由于具有电磁超材料的一些独特性质...


人工电磁超材料波导的物理特性及其在光子器件上的应用

何应然, 浙江大学 发表时间:2013-10-01 博士

人工电磁超材料是由亚波长的结构单元周期性排列形成的等效介质。它具有强大的调控电磁波的能力,不仅可以支持新奇的电磁效应,如负折射、超分辨成像,还可以设计实现电磁隐身、超高折射率、零折射率,极慢的光波传输等。在本论文中,我们深入挖掘超材料波导的独特性质,并探究了超材料波导在光子器件方面的若干应用。首先,我们研究了左手性的超材料中传播的电磁波的动量问题。介质中电磁波的动量问题已经饱受争议长达一个世纪。对于左手超材料中的动量,人们甚至还没有搞清楚光动量的方向。这里我们从宏观的Max...


新型电磁功能材料及其在天线设计中的应用

李彪, 西安电子科技大学 发表时间:2014-04-01 博士

由于超材料具有一些天然材料所不具备的超常物理特性,近年来引起了国内外学者的广泛关注。在THz频段,利用超材料与电磁波的强烈电磁响应,可以实现THz频段的功能器件。石墨烯作为近年来新材料研究中另一个备受关注的热点,在THz频段的电磁学领域同样具有广阔的应用前景。本文中紧随当今电磁功能材料领域的研究热点,分析并设计了多款THz频段的电磁功能材料、器件及天线,并对部分模型进行加工和测试;利用电磁功能材料的特殊性质,将其应用于基站天线的设计之中,提高性能并减小天线的尺寸。作者的主要...


超材料中反向波传播与隐身的有限元模拟

杨伟, 湘潭大学 发表时间:2013-04-15 博士

在2000年物理学家成功构建了一种人工超材料,其介电常数和磁导率同时为负.此后由于其独特的电磁特性,引起了众多学者对超材料介质中数值方法的关注.本文主要研究了超材料介质中反向波传播与电磁隐身的有限元方法.本文第一部内容研究超材料中反向波传播的时域有限元方法.由于超材料通常是色散介质,因此我们首先对色散介质中Maxwell方程构造了一种隐式内罚间断有限元全离散格式,并证明了该格式是无条件稳定、具有最优L2和能量误差估计,数值试验验证了理论结果的正确性.接着研究了双负介质中三维...


超材料透镜和超表面对电磁波的调控及应用

齐美清, 东南大学 发表时间:2016-03-28 博士

超材料由周期或非周期排布的亚波长的人工单元构成,具有超常的电磁特性。因其可实现对电磁波的任意调控,因而受到了越来越广泛的关注,涌现出一大批基于超材料研发的功能器件。超材料透镜和超表面是超材料的两种典型实现形式。其中超材料透镜是由较多人工单元构成的三维结构,当电磁波在其中传播时受到超材料的调控。而超材料的二维形式称为超表面,其具有低剖面、低损耗、易于设计与实现等优点,越来越受到研究者的关注。本文研究超材料透镜和超表面对电磁波的调控及其应用,主要内容和创新点如下:·利用渐变折射...


新型电磁超材料的微波工程应用关键技术研究

吴凯敏, 电子科技大学 发表时间:2015-10-30 博士

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一种人工合成的具有奇异电磁特性的结构型材料,其中等效介电常数和磁导率同时为负时又称之为负折射率媒质、左手材料等。这类电磁超材料具有的奇异电磁特性包括负折射现象、逆多普勒频移、逆切伦科夫辐射、负光压现象等。由于构成电磁超材料的机理和物理尺寸的形式多样,以及所具有颠覆经典物理认识的独特性质,电磁超材料在声学、电磁学、光学等物理领域具有重要的研究价值。同时,基于电磁超材料独特的控制电磁波传播、反射、散射的巨大...


基于表面等离子体激元的光学滤波片与完美吸收超材料的设计及数值模拟

邵伟佳, 中国科学技术大学 发表时间:2014-05-04 博士

...D)设计具有优良光学性质的光学滤波片和完美吸收超材料。本论文的主要研究内容和成果如下:在第一章中,综述了传播型表面等离子体激元和局域表面等离子体激元的概念,另外还简要概述了基于有限时域差分法的理论算法。在第二章中,主要研究基于异常光学透射的两种光学滤波片的透射性质。可见光和红外波段下亚波长的金属孔洞阵列的透射率可以远大于经典电磁理论预测的透射率,甚至可以超过占空比,这种异常光学透射的现象可以用来制备光学滤波片。据此,本文提出了两种不同结构光学滤波片的设计。第一种滤波片是两面...


亚波长微结构太赫兹功能器件的研究

王昌辉, 南开大学 发表时间:2013-05-01 博士

...功能器件是必不可少的。本文在对太赫兹光子晶体和超材料两种亚波长微结构人工电磁材料特性研究的基础上,重点分析了这两种微结构人工材料在太赫兹强度调制器和窄带谐振腔等中的应用。主要的工作内容和研究成果如下:1、搭建了透射式太赫兹时域谱系统。采用钛宝石飞秒激光泵浦光电导天线产生太赫兹脉冲,以碲化锌晶体电光取样探测太赫兹脉冲。用这套太赫兹时域谱系统测量了经过表面抛光处理的4mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)和0.4mm厚的高阻硅(Si)平板的时域谱数据,经傅里叶变换后获得了两种材料在0...


基于超材料的变换电磁学器件在隐身和散射问题上的应用与分析

庞旭东, 华东师范大学 发表时间:2013-05-01 博士

...能够在一定程度上人为调控电磁波的传播路径,结合超材料技术,可以设计出多种具有奇特功能的新颖电磁器件。最早的应用是电磁隐身斗篷,而后具有其他功能不同类型的变换电磁学器件也得到开发并被应用于天线与散射等领域。坐标变换法作为一种新的研究手段,在光学、声学、电磁学以及等离子体领域均展现出极大的应用潜力。在上述研究背景下,本文对基于超材料的变换电磁学器件的研究工作,主要可以分为以下五个方面:1.分析了多种具有代表意义的隐身器件。仿真验证了几种边界形状较为任意的二维隐身斗篷;对分层式隐...


贴片型左手超材料的传输性能分析和构型设计优化

董焱章, 大连理工大学 发表时间:2013-04-01 博士

本文在经典物理学框架下论述了左手超材料的起源、分类和特性应用,其研究凭借日新月异的材料制备技术获得了长足的发展,尤以基于谐振机理的贴片型左手超材料为最。负折射率是左手超材料最核心的特异属性,其表征的左手传输性能是诸多电磁器件应用的基本前提。控制左手传输衰减和拓大其带宽是左手超材料广阔应用前景的需求,同时也对当前飞速发展的射频段电磁器件具有特别重要的现实意义。基于此,本文分别从理论解析和数值仿真两种途径开展了贴片型左手超材料的传输性能分析及其在尺寸、形状和拓扑等三种层次的结构...


微波冶金加热过程动态仿真及优化设计

孙俊, 昆明理工大学 发表时间:2013-10-01 博士

...多物理场耦合仿真,研究了与该过程密切相关的异质材料等效电磁特性,提出了有利于提高能量利用效率的微波反应腔的优化设计方法。同时还设计了基于回音壁模式的超材料传感器,并进一步探讨了它在冶金过程中的潜在应用。(1)针对以往准静态条件下对异质材料等效介电常数的研究不能揭示其显微结构与微波相互作用的机理,建立了微波场与两相无耗异质材料相互作用的仿真模型,通过有限元方法和散射参数反演算法得到了材料随频率变化的等效介电常数。结果表明材料的微观结构变化会对其宏观电磁特性造成影响,并发现了无...


电磁超材料合成机理及应用关键技术研究

孙海斌, 电子科技大学 发表时间:2016-04-13 博士

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是一种自然界不存在的具有超常电磁学和光学特性的结构型材料,其主要由人工合成获得,在材料学、电磁学、光学等物理领域具有极其重要的研究价值,亦在电子电路、无线通信等工程领域具有广泛的应用前景。从21世纪初首个微波频段的电磁超材料实现后至今,电磁超材料技术已成为国内外学术界和产业界的研究热点而受到持续广泛的关注。近15年以来,已报道的电磁超材料合成方法主要基于谐振金属环、加载传输线等周期结构实现。然而,传统电磁...


太赫兹超材料吸收器的机理及应用研究

王本新, 湖南大学 发表时间:2015-05-10 博士

最近20年,与超材料领域相关的研究吸引了广大科研工作者的极大兴趣。这是由于基于超材料的亚波长结构具有自然界中所不具有的奇异的特性,比如负折射率材料,隐身,和超透镜。然而,由于大多数设计的超材料结构都是金属共振的结构,因此所设计结构的吸收损耗是不可避免的。这种吸收损失会极大的降低它们的共振性能。后来人们提出了多种新颖的方法来克服这种损失。实际上,所有的事情都是双面的。对于一些特定的结构(比如三维的金属-介质-金属夹层结构),这种结构的吸收不但有用而且还可以明显地增加。因此,最...


薄膜型声学超材料隔声特性研究

张玉光, 国防科学技术大学 发表时间:2014-10-01 博士

...要组成部分。受质量密度定律所限制,传统轻质隔声材料很难有效隔离低频噪声,因而,轻质材料的低频隔声问题一直是隔声领域的瓶颈。近年来,声学超材料概念的提出为低频隔声材料的设计提供了新的思路,而薄膜型声学超材料在实现轻质低频隔声方面具有明显的优势。目前已有的研究表明:薄膜型声学超材料能够显著提高低频段的隔声性能,采用多层叠加可以实现宽频段的隔声。然而,薄膜型声学超材料声...


太赫兹波段多通带左手材料的数值研究

杜秋姣, 华中科技大学 发表时间:2011-08-01 博士

左手材料是指介电常数和磁导率同时为负值的电磁超材料,具有一些独一无二的电磁性质。这些特性使左手材料在“完美透镜”和“隐身斗篷”上具有不可估量的应用价值。过去十年,大量左手材料的工作频率都是在微波波段。最近,研究者正在把工作频率向太赫兹波段和光波段推进。在太赫兹和光波段构造低损耗、宽频段、高维度、易加工的左手材料,提高左手材料的性能,一直是这个领域的一个研究重点。本论文正是基于这个研究重点,致力于寻求性能良好的太赫兹左手材料,提出了一系列的多通带左手材料的设计方案。文中采用数...


超材料结构设计与太赫兹波调控

徐尉宗, 南京大学 发表时间:2017-02-01 博士

...切的要求。通过人工设计制备、具有可调电磁特性的超材料的出现,刚好解决了太赫兹波段功能材料缺乏的问题。由于理论上这些超材料可以通过设计实现对于任意波段的电磁响应,所以基于超材料设计太赫兹波段功能材料和器件是一个极具潜力的技术路径,将可以实现天然物质很难实现的对于太赫兹波的控制和处理。本篇论文将主要介绍如何基于超材料,实现对太赫兹波振幅与偏振状态的有效调控,具体研究内容如下:1.由于超材料结构的共振特性可以通过外部激励来控制,如施加光照、电场、磁场、温度或者机械应力等,所以,经...


电磁超材料的电磁特性及其基于光学变换理论的应用

吕建红, 华中科技大学 发表时间:2010-04-01 博士

电磁超材料作为一个新兴、多学科交叉领域,具备潜在的发展前景,因此近十年来受到广泛关注。本论文从研究电磁超材料对入射电磁波的电磁响应特性出发,构造设计了新型的单面左手材料、以及可以减小对电磁波极化方向依赖性的高维四重C-形状平面左手材料;研究了不同开口数单环谐振环之间的耦合效应以及由于耦合产生的磁分裂现象;另外,我们还基于光学变换理论、研究了电磁超材料在控制电磁波场分布中的应用(如波束偏转器、隐身斗篷)。本论文第一部分内容主要是研究新型电磁超材料的构造,及其在入射电磁波作用下...


三维石墨烯基多功能材料可控制备与性能研究

张强强, 哈尔滨工业大学 发表时间:2016-04-01 博士

...表石墨烯在三维宏观尺度构筑的一类新型多孔碳纳米材料,其丰富的孔隙、超轻的密度、大比表面积、低导热系数、高导电率、良好的力学可压缩性和结构稳定性等性能赋予该材料在电子工程、防护工程、传感技术、热能工程和储能等领域广阔的应用前景。以GA为基底模板,研究三维石墨烯基多功能材料可控制备和结构可剪裁设计,建立可优化的结构和性能改性策略,对推动高性能石墨烯基多功能材料的发展具有重要意义。鉴于目前三维石墨烯材料制备和性能研究中存在微观结构可控性差、宏观结构可剪裁性弱、力学稳定性低和大尺度...


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