【毕业学位论文】基于柔性衬底新型人工电磁材料的研究及应用

摘 要 新型人工电磁材料是上世纪末才发展起来的新兴研究领域，可以通过人为意愿设计亚波长单元结构产生许多奇异的电磁特性，这些特性使得新型人工电磁材料具有令人瞩目的应用前景。而柔性衬底材料具有良好的物理和化学特性，被广泛的应用到光电、生物和医疗等领域。本论文结合两者的优点，研究了基于柔性衬底新型人工电磁材料。论文的主要研究内容是： 1)综述 了国内外新型人工 电磁材料的发展现状及应用。详细的推导阐述了新型人工电磁材料在隐身 、传感器和吸收器等方面的物理原理。 2)研究 了柔性衬底材料结构的制备方法，着重阐述了完成本论文使用的光刻曝光技术。 3)分析 了实现负等效磁导率和负等效介电常数的理论，设计结构的数值分析方法和参数反演算法。并根据这些理论构造了新型人工电磁材料开口谐振环结构。对比分析开口谐振环结构 在刚性衬底和柔性衬底上的电磁特性，并通过旋转谐振环内环实现 谐振频率 的 可调谐。 4)基于吸波器原理，设计了基于聚合物衬底多 频带极化不敏感的吸收器。该结构为金属板 缝隙结构，仿真分析了在 和 下吸收器的吸收特性。我们的方法为实现低损耗、极化不敏感和多 频带吸波隐身设备提供了一种 新的思路。 关键词： 新型人工电磁材料；隐身；吸波器；柔性衬 底；开口谐振环；可调谐；多 频带；极化不敏感 研究类型： 应用研究型 is a of be of to a is to it of of is on of 1) of at of in is in 2) on to of on of to of 3) of of on is on to 4) on of of a on is in a on M E a to 录 I 目 录 1 绪论 . 1 2 新型人工电磁材料的研究及应用 . 3 型人工电磁材料的特性 . 3 手材料的特性 . 3 合左 /右手传输线的 特性 . 8 子晶体的 特性 . 9 型人工电磁材料的研究现状 . 10 波段研究进展 . 10 赫兹频波段研究进展 . 11 外、可见光波段研究进展 . 14 性衬底 人工电磁材料的应用 . 14 性衬底新型人工电磁材料隐身技术 . 15 性衬底新型人工电磁材料传感器 . 17 型人工电磁材料吸波器 . 20 用展望 . 22 3 柔性衬底 新型 人工电磁材料结构设计和制备 . 24 型人工电磁材料的数值仿真概述 . 24 值分析方法 . 24 件仿真及反演等效参数 . 25 构的设计 . 26 型人工电磁材料的结构模型 . 26 构 . 28 验研究方法 . 31 底材料分类 . 33 性材料 . 33 性材料 . 34 于柔性衬底 人工电磁材料的制备 . 35 面工艺 . 36 针工艺 . 38 型工艺 . 38 武汉纺织大学硕士论文 柔性衬底 新型 人工电磁材料的应用研究 . 40 调新型人工电磁材料的研究及验证 . 40 于改变衬底材料的可调谐磁人工电磁材料 . 41 于旋转内环 可调谐磁人工电磁材料 . 46 果分析 . 50 于新型人工电磁材料的双通带吸波器的设计 . 50 波器基本原理 . 50 波器结构模型 . 51 化入射电磁波角度 . 53 化介质层厚度 . 53 化内十字架宽度 . 54 结 . 54 5 总结与展望 . 55 文总结 . 55 望 . 55 参考文献 . 57 附 录 . 61 致 谢 . 63 1 绪论 1 1 绪论 材料是人类生存 和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的 基本条件 。人类的历史也是一部材料发展史，新材料的出现往往被看作科学技术进步的标杆。材料按照其成分和特性分类，为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等。人工复合材料作为新型材料，受到国内外学者的广泛关注。 1898 年 究的螺旋结构（手性材料）微波实验合成了最早的“人工材料”。之后的一些科研工作者在 究的基础开始了复杂人工材料的研究。在过去的十年当中，专家学者们利用新的物理和化学方法，根据需要构造 出了自然界不存在的具有独特性能的复合人工磁性材料，我们称之 为新型人工电磁材料（ 1。 新型人工电磁材料的单元结构远小于工作波长（ a），我们可以把它看做一个均匀的媒质 2。洛伦兹认为，物质分子是由一定数量的重原子核和外围电子构成的复杂带点系统。原子核和电子的数量以及其相对的位置，决定了物质分子的 性质。类比于物质分子，新型人工电磁材料的电磁单元结构及其空间结构 排列拓展了其特殊的电磁性能。通过这种结构产生某种程度上自然媒介不具备的物理性质 3。它提供了一种可以让人们根据要求制造具有许多特殊物理性质的全新思路与途径 。新型人工电磁材料的基本设计思路是 制备 具有 某种 特殊 物理性能 的人工结构 。于是， 人们能够通过 优化单元结构参数和调整其周期性空间结构 ，从而获得 意想不到 的 特殊的 物理性质。 我们知道介电常数主要反映的是媒质在电场作用下发生的极化对原电场的影响，磁导率则是反映媒质在磁场作用发生的磁化对原磁场的影响。 因此， 介电常数 可用来描述媒质的电性质 而 磁导率 则被用来描述媒质的磁性质 4。 新型人工磁性材料介电常数和磁导率的特殊性，使其在微波和光学领域有着广泛的应用价值，在军事和日常生活中也能够发挥非常重要的作用。 随着工业技术水平的不断提升，晶体结构的不断调整，新的媒质不断产生。因此新型人工电磁材料为经典电磁理论提供了一个新的研究空间，其产生的重大科学意义及巨大的应用前景对未来的 军事设备、民用通信和医疗设备 等 领域 将产生极为重要的影响 。 左手材料 更 被评为 2003 年度十大科技突破之一， 2006 年梯度 负折射新型人工电磁材料 实现电磁波隐形的设计又被评为该年度十大科技突破之一。光子晶体 新领域出现为光电子学开创了新的前景被成为二十世纪末 九 大 科学 研究热点之一 ， 2007 年 行了名为 期刊。 新型人工电磁材料逐渐摆脱理论上的研究，开始在实际生活中得到应用。深圳光启高等理工研究院 在新型人工电磁材料实际应用方面做出了巨大贡献，他们 设计的 基于 新型人工电磁 材料超薄 平板卫星天线相 比与传统的 抛物面天线具有 较轻的 重量、 使用安装便意 、信号稳定 高 及 体积小便于 隐蔽 等 特点， 而且已经在全国十几个 省市 进行了 测试 检测 ， 甚至其中的一些产品在 部分行业投入 了 使用； 深圳光启利用 新型人工电磁 材料 小尺武汉纺织大学硕士论文 2 寸的特性研发出了 全球最小尺寸的滤波器， 这种滤波器 可以大幅度减小基站的体积， 同时也使得 射频拉远模块和机柜尺寸的 相应的缩写 ，使得无线基站设 备和 用于 维护 的 成本大幅度 降低 ，将为无线电通信基础运营设施行业带来新的行业变革和 突破 ； 新型人工电磁 材料 供了在 公共场所 等人流密集区域的无线互联接入服务， 广州部分地铁线路已经安装投入了使用 ，与此同时还进行了 新型人工电磁材料 线的研制，并进行了前期测试， 其 信号 具有 更强 的穿墙能力， 从而 突破 了小范围内空间信号传输 受阻碍的限制 5。 新型人工电磁材料器件不断发展，器件的尺寸也越来越小，这就对衬底的材料的属性和加工工艺要求也相应的提高。由于刚性材料本身存在着硬度高脆度也高的特点，所有很难被应用到大面积的、微型化的器件当中。另外，硬质刚性材料不易弯曲和摺叠的特点也限制了其在三维高曲率表面的测量和控制。而柔性衬底材料由其敏感度高、良好的机械强度等特性弥补了刚性材料的缺陷不足。因此，对基于柔性衬底新型人工电磁材料的研究具有极其重要的意义。 2 新型人工电磁材料的研究及应用 3 2 新型人工电磁材料的研究 及应用 介电常数和磁导率是表征物质基本性质的基本物理量。如果用介电常数和磁导率来构成一个坐标系，那么这个坐标系就存在四个象限。其中第一象限为常规介质，介电常数 0、磁导率 0，自然界大多数材料位于此象限；第二象限为单负介质，介电常数 0。根据电磁场理论，电磁波在其中无法传播，表现为倏逝波，介电等离子体和金属低于其等离子体频率时位于第二象限；第三象限为双负介质也就是左手材料，介电常数 0、磁导率 0 （ 2 那么色散的通用不等式关系为 0 （ 2 2 新型人工电磁材料的研究及应用 5 0 （ 2 假设左手材料为非色散介质时，负介电常数和负磁导率同时为负时就违背了公式（ 2而负介电常数和负磁导率却能满足公式（ 2（ 2这就是左手材料必定为色散介质得根本原因。 （ 2）逆斯涅尔定律（负折射现象）。当电磁波入射到界面边界时就会发生发射折射现象，其折射现象满足于斯涅尔（ 律。对于一般材料，发射光线和折射光线位于界面法线两侧 。左手材料中的折射率为负值时，波矢 k 与功率流方向相反 k ，群速和相速方向相同，呈现右手传输线特性，其折射率大于零； （ 2）当 ，出现抑制频带，此区域呈现复合左 /右手传输线特性。 复合左 /右手传输线是最先在实际生活中得到应用的新型人工电磁材料。复合左右手传输线主要应用在导波和辐射波当中。导波应用主要有：双频器件，实现在一个器件当中任意两个不同频率点具有相同功能的器件；带宽增强型器件；复合左 /右手传输线耦合器；负数阶、零阶谐振器；漏波天线等。 子晶体的 特性 在 1987 年 人通过研究周期性排列的介质结构提出的，其光子态和光传播的性能可以通过人为调节介质的结构发生变换。光子在不同折射率周期性排列的介质中传播时，光子依旧遵循麦克斯韦方程组。通过求解麦克斯韦方程组，发现光波的色散关系在在某个区域出现带状结构，即光子能带结构（ 这种带状区域称为光子禁带（ ,该区域中光 子不能进行传播。类比于传统的晶体概念，我们把这种光子能带结构命名为光子晶体（ 13。 光子晶体制备的方法大致分为物理方法和化学方法。物理方法可分为：机械钻孔发，这种方法是将介质放置在具有周期性阵列孔洞的模板上，再用精密的机械加工进行打孔，这种方法制备的光子晶体也成为 子晶体；逐层叠加法，这种方法是将一层周期结构进行逐层堆叠延伸；淀积刻蚀法，主要是利用光刻蚀、电子束刻蚀和离子束刻蚀等方法。化学方法又可分为：胶体自组织法，这种方法是将表面带同种电荷的胶体颗粒按照一定的体积浓度分散于去离子水或溶剂中，通过颗粒表面之间的电荷相互作用使颗粒自动聚集排列成类似于原子晶体结构排列方式的胶体晶体；多光束干涉方法，这种方法主要是通过多光束干涉曝光形成周期结构；双（多）光子聚合方法，这种方法的原理是将光子聚合反应，这种聚合被限制在很小的范围内。随着制备方法的深入，光子武汉纺织大学硕士论文 10 晶体器件应用也越来越有进展。 光子晶体的晶格尺寸一般为工作波长的一半，而左手材料和复合左 /右手传输线单元结构远小于波长。因此，它们之间必定存在一定的差异。如光子晶体的单元结构是非均匀周期性的，而左手材料和复合 左右手传输线必定是均匀的未必是周期性的。光子晶体的负折射现象是由 m 阶傅里叶谱驱使整个场朝相位相反的方向，而不同于功率流传播方向产生的 。左手材料和复合左右手传输线是由波矢 k 与功率流方向相反 k ， ln (3周期性开口谐振环 列的等效磁导率 为 = 1 02202+武汉纺织大学硕士论文 28 其中 F 为开口谐振环与结构单元面积之比，由此可见 在 0 第 10 期 4刘侃，肖鑫，刘扬 第 2 期武汉纺织大学硕士论文 62 致 谢 致 谢 感谢我的导师汪胜祥老师 ，是他 指引了我在新型人工电磁材料领域前进的方向 ，为此篇毕业论文 提供了大量的帮助 ，帮助我 解决完成论文过程中遇到的问题 。 他对工作认真严谨的态度为我们做出了很