基于超构材料设计吸声降噪结构的研究进展

噪声污染是重要的环境问题,研究如何设计吸声结构以降低环境中的噪声一直是一项富有挑战性的课题。相比于传统材料,超构材料因其低频吸声的突出优势,成为目前设计研究的热点。首先介绍2种主要的声学吸收机制：声学黏滞性理论和热传导理论。在此基础上,阐述了吸声结构的基本设计分析方法,包括阻抗分析方法、数值计算方法以及实验方法,其中阻抗分析方法主要介绍了阻抗匹配理论和复频率平面分析方法。接着,根据目前吸声结构的设计研究现状进行分类,深入介绍基于超构材料设计的研究进展,讨论了其实际应用和可能的发展方向,最后从结构设计、工作频带、结构尺寸、吸声效果方面对基于超材料的吸声结构进行了总结,并分析了其在实际应用和不同工况下面临的挑战。     

太赫兹等离子体激元增强传感研究进展

太赫兹作为一个大多数有机分子和生物大分子的振动和转动频率所在位置,已引起全社会的高度关注.近年来,随着太赫兹源和探测技术的不断发展更新,使得获取稳定的宽带太赫兹脉冲源成为一种常规技术.然而,相比于太赫兹波波长,由于分子的吸收截面非常小,导致微弱的相互作用,很难根据太赫兹特征光谱的变化对物质进行种类判定或定量分析的传感检测.如何增强太赫兹光谱技术的传感灵敏度,快速便捷地实现微量样品的检测,是太赫兹传感亟待解决的现实问题.电磁超表面凭借其独特的共振电场增强效应为解决这一问题提供了很好的解决方案.太赫兹等离子体激元增强传感研究自2000年起其发展已有了长足的进步,多种基于不同电磁超表面的太赫兹增强传感创新技术与方法被相继提出.本研究重点介绍这些针对太赫兹传感增强提出的表面等离子体共振传感器的最新研究进展,并详细指出它们的优势和不足.在此基础上总结了太赫兹增强传感的研究工作,并对其未来的发展方向进行展望.     

基于迂回相位和几何相位复合的散射调控超表面

提出了一种基于迂回相位和几何相位复合的电磁散射调控超表面设计方法,以实现不同入射角下对电磁波的独立调控。作为设计实例,采用能够实现宽带极化转换的开口谐振环(SRR)作为超表面结构单元,通过移动和旋转SRR同时引入迂回相位和几何相位,构成超表面反射相位设计方案。当电磁波垂直入射到超表面时,几何相位设计使得散射波分裂为两束,实现了分束功能;斜入射时,大部分散射波被引导至-1阶衍射通道,通过迂回相位设计实现了波束偏折功能。仿真和测试结果均验证了其良好的散射波束调控性能。基于几何相位和迂回相位的散射调控超表面设计方法丰富了超表面操纵电磁波的自由度,并可进一步与传输相位、共振相位等复合推广到全空间散射波束调控超表面设计。     

基于超表面的宽带太赫兹热释电探测器设计

为了解决传统太赫兹（THz）探测器吸收效率低,频率范围小的问题,提出将双层超表面吸收阵列结构与钽酸锂热释电探测器相贴合,构成宽带太赫兹超表面热释电探测器。采用MATLAB和CST联合仿真的优化方法对超表面结构进行按需优化;使用ANSYS对热释电探测器进行仿真分析,得到敏感层、绝热层等特征参数对太赫兹热释电探测器的温度变化率以及响应电流的影响。结果表明,采用超表面阵列结构提高了全THz波段的探测性能,凳型热释电探测器在给定条件下的平均热释电电流输出为31.52 pA。使用超表面作为吸收结构可以使热释电探测器具有连续且高效的吸波特性,为宽带太赫兹探测器的设计提供参考。     

可编程超表面实现双极化独立多波束反射阵天线设计

多波束反射阵天线因其制备简单、成本低、波束调控灵活等优势而备受关注。基于极化复用的可编程超表面提出了一种双极化通道独立波束动态调控的多波束反射阵天线设计方法,并结合方向图快速计算与优化算法,实现了快速的编码序列优化与方向图预测。理论分析与全波仿真分析结果显示,反射阵天线在双极化通道下具有良好的辐射性能,主瓣辐射方向与理论计算结果一致。作为实验验证,加工了实物样件并在标准微波暗室中进行了测试。测试结果与仿真分析结果吻合良好,证明独立波束调控的双极化反射阵天线具有多通道电磁波辐射能力,有望应用于无线通信与多目标雷达系统中。     

低频比波长复用高效双功能超表面

多功能微波器件由于能在小尺寸器件上实现大容量功能集成,在现代通信系统中具有重要作用。然而由于器件功能的高度集成,使得多功能器件往往存在严重的通道串扰,降低了器件效率。对此,提出了一种低通道串扰的频率复用方法,通过在两层介质板上构建互补形式的双C形开槽谐振器和双C形金属谐振器,实现了双谐振单元。由于双谐振器具有很高的Q值,能在低频比情形下实现相位的独立调控。为进行验证并探索应用,设计了工作于f1=9.2 GHz和f2=11.2 GHz的多功能超表面。仿真结果与实验结果吻合良好,表明超表面在f1和f2处分别实现了模式数l=3的聚焦OAM波束和零阶贝塞尔波束。与以往报道的多功能超表面相比,设计的器件双频工作频比仅为1.2,且双频器件效率高达86.1%和93%。提出的低频比、低通道串扰波长复用超表面方法为实现大容量功能集成应用提供了一种有效途径。     

电磁超材料研究进展

 简介了电磁超材料的定义、性质和分类,综述了电磁超材料研究的常用等效媒质理论、电磁参数提取方法、电磁超材料的具体实现方式、二维电磁表面及其机理、电磁超材料的典型应用等研究进展,展望了电磁超材料的发展趋势。     

基于超表面的反射阵天线设计

提出了一种基于超表面的Ku波段高增益反射阵天线.设计了一种"灯笼折线型"结构结合开口方环结构的超表面单元形式,单元大小为0.3λ₀.通过仿真软件进行优化分析,该单元可以实现520°的相移范围且具有良好的相移特性,应用该单元进行了Ku波段高增益反射阵天线的设计,设计了阵面口径大小为160.8 mm×160.8 mm （7.2λ₀×7.2λ₀）的反射阵天线,采用角锥喇叭进行馈电,该反射阵天线获得了较高的增益以及口径效率.同时在卫星通信的上行链路频段14.0~14.5 GHz以及下行链路频段12.25~12.75 GHz范围内具有较好的性能.对该反射阵列进行了加工测试,测试结果与仿真结果较为吻合,从而验证了该反射阵天线设计的有效性.      

基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器设计

涡旋电磁波因其独特的"空心圈"状辐射场强度、螺旋前进的相位波前以及不同模式间相互正交等独特的电磁特性在雷达探测、成像、保密通信等领域有着巨大应用前景.本文设计了一种基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器,超构表面在沿+z方向的Vivaldi天线的球面波激励下,可在透射方向高效地产生拓扑电荷数l=+1的涡旋电磁...     

60 GHz低损耗宽带的超表面天线阵列

研究一种基于超表面的60 GHz 1×2宽带天线阵列.为降低传输损耗,天线阵列由间隙波导功分器馈电,间隙波导传输线两侧放置电磁带隙结构,能量通过缝隙与顶层超表面耦合,从而向空间辐射.天线阵列安装在Rogers 4350b介质基板上,由超表面辐射器引入的准TM₃₀谐振模式与缝隙辐射单元的本征模式结合,从而拓展天线带宽,改善天线增益.研究结果表明:天线阵列-10 dB |S₁₁| 带宽仿真结果为49.3~65.0 GHz,实测结果为48.5~64.8 GHz,覆盖57.0~64.0 GHz范围的无授权毫米波通信频段;在匹配带宽内,天线的最大增益为11.8 dB,3 dB增益带宽为15%.