超材料裁剪及其与吸波涂层复合设计文献综述
2020-04-14 21:33:21
1．目的及意义
超材料（Metamaterials）是一种人工设计的亚波长周期性单元结构，相比自然界中存在的材料，它具有一些独特的物理特性，如：负折射率、负磁导率、负介电常数、逆多普勒效应等，这些特性主要依赖于其基本组成单元的结构[1]。超材料在很多方面都有应用，如控制电磁波的传播方向、极化状态、超透镜、全息成像和电磁波吸收等。 自从Landy在2008年通过模拟和实验验证了超材料完美吸波的存在后，使用超材料用作吸波材料逐渐成为了一个全新的研究方向。当超材料作为吸波材料使用时，通过改变超材料的基本单元的尺寸，可以对超材料的等效介电常数和磁导率进行调控，进而实现其吸波峰的调节。超材料吸波体具有完美吸波、厚度薄、质量轻及频带可调等特点，但单一化的超材料吸波体往往由于其共振吸收的机理，导致吸收频带较窄[2]。
为了解决超材料吸波体吸收频带较窄的问题，国内外研究者进行了大量研究。研究方向大致有四个：第一，平面内多共振结构复合，即利用吸波超材料的共振频率与其结构参数有关的这一特点，通过在面内构筑不同结构尺寸的共振单元实现多频点，及宽频带的吸收。Shen等[3]在平面内复合三个大小不同尺寸的共振结构实现了三个频点的吸收。但是由于受制于面内空间的有限性和共振吸收机理[4]，这种结构只能实现几个频点的吸收，而且当共振结构单元距离过近时，容易产生耦合，削弱吸波能力。第二，多层结构复合，即对共振单元在竖直方向叠加。 Ding等[4]设计的金字塔结构实现了7.8～14.7GHz范围内90%以上的宽频吸收；Kim等[5]设计的圆台结构实现了3.93～6.05GHz和11.64～14.55GHz两个波段内90%以上的吸收；Long等[6]通过多层叠加设计了由大小金字塔阵列构成的棋盘状结构实现了7-18GHz频带内90%以上的吸收。这种多层结构虽然可以将共振吸收峰进行叠加，从而实现宽带吸收，但由于吸收峰与结构单元是一一对应的，所以材料整体的吸收带宽受制于叠加层数，这样要想获得带宽较宽的材料就需要很大的厚度，且制备也比较复杂。第三，构造立式结构：这种结构通常在入射波矢方向有相对较大的尺寸。Shen等[7]设计的非平面电阻膜结构，实现了3.9～26.2GHz范围内90%以上的吸收。这种结构相对于平面结构来说质量较轻，但是由于其“站立”姿态，其厚度较厚，且其机械强度相对较弱。第四，与传统吸波材料复合。东南大学叶璐等人[8]设计了一种基于磁性材料内部加载周期金属层的低频超宽带吸波器，实现了1.13GHz～4.8GHz频带内90%以上的吸波效果；Li等[9]结合超材料的概念，对传统吸波材料进行周期性的图案化处理得到一种4～40GHz范围内90%以上吸收的超宽带吸波材料，其厚度仅为3.7mm。可以看出这种复合的思路在带宽的拓展、低频段、厚度以及单元结构的复杂程度上相对前三种结构都具有很大的优势和发展空间。
目前关于吸波材料比较成熟的研究大多集中在4GHz以上的波段，在 L、S波段还存在一定空缺。鉴于传统磁性吸波材料在高频的宽带吸波特性和超材料吸波体的完美吸收、厚度薄、频带可调等特性，本课题拟将传统磁性吸波材料嵌入超材料基体中实现二者复合，从而设计出兼顾L、S波段的宽带超材料吸波体。通过本课题对低频段的宽带吸波超材料的探索，我们将深入了解复合超材料吸波体的吸波机理，探究磁性吸波材料与超材料的复合性能，对高低频兼顾的宽带吸波超材料的设计具有重要意义。
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首先，以片型超材料为例，对金属片和基体的参数进行调节，通过对场图、损耗分布规律以及吸收性能的分析，研究超材料的吸收机制，探究片型超材料的介质基体中的“冗余”区域，然后对“冗余”区域进行不同程度的裁剪，研究基体裁剪对片型超材料吸收强度、吸收峰位置的影响规律。
其次，以片型超材料为基础，构造多层结构的超材料，通过在每一层上布局不同结构参数的片型结构，以实现多峰吸收，再研究是否可以将不同吸收峰叠加，从而拓宽超材料的吸收带宽。
最后，对片型超材料进行裁剪，在裁剪区域填充磁性吸波材料，构成超材料与磁性吸波材料的复合结构，研究复合结构的整体吸收性能。
本课题主要研究1～18GHz频段内材料的吸波性能，拟采用全波数值模拟软件Microwave Studio CST进行辅助设计。羰基铁粉是目前比较有效且使用比较广泛的磁性吸波剂，本课题拟采用由羰基铁粉和环氧树脂构成的复合材料作为磁性吸波材料来进行研究。 首先用实验室的矢量网络分析仪（Agilent Technologies N5230A）测出磁性材料的复介电常数和复磁导率，再将电磁参数导入模拟软件（CST）的材料库，以便仿真使用。然后根据研究内容，在CST中设计各种结构模型，模型设计完毕后设置边界条件和端口条件进行仿真，观察仿真结果（电场分布，能量损耗，S参数等），分析各个模型的吸波性能。
3. 参考文献
[1] 张明习. 超材料概论[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014：3.
[2] 院伟, 杨进, 王一龙, 等. 宽带吸波超材料的研究进展[J]. 材料导报, 2016, 30(21): 104-108.
[3] Xiaopeng S, Tie Jun C, Junming Z, et al. Polarization-independent wide-angle triple-band metamaterial absorber[J]. Optics Express, 2011, 19(10): 9401-9407.
[4] Xiao-Yu P, Bing W, Shumin L, et al. Ultrathin multi-band planar metamaterial absorber based on standing wave resonances[J]. Optics Express, 2012, 20(25): 27756-27765.
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[6] Long C, Yin S, Wang W, et al. Broadening the absorption bandwidth of metamaterial absorbers by transverse magnetic harmonics of 210 mode[J]. Scientific Reports, 2016, 6.
[7] Shen Y, Pei Z, Pang Y, et al. An extremely wideband and lightweight metamaterial absorber[J]. Journal of Applied Physics, 2015, 117(22): 2289.
[8] 叶璐，窦文斌. 基于磁性材料内部加载周期金属层的低频超宽带吸波器. 中国，发明专利. 201710709972.1[P].2018.1.30
[9] Wei L, Wu T, Wei W, et al. Broadband patterned magnetic microwave absorber[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 116(4): 388.
[10] 熊益军, 王岩, 王强, 等. 一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料[J], 2018, 67(8):084202.
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[13] 杨竞帆, 屈绍波, 庞永强, 等. 太赫兹及红外吸波超材料研究进展[J]. 红外技术, 2017, 39(4): 323-328.
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[18] Fan K, Strikwerda A C, Tao H, et al. Stand-up magnetic metamaterials at terahertz frequencies[J]. Optics Express, 2011, 19(13): 12619-12627.
[19] Hao J, Lheurette E, Burgnies L, et al. Bandwidth enhancement in disordered metamaterial absorbers[J]. Applied Physics Letters, 2014, 105(8).
[20] Li W, Wu T, Wang W, et al. Broadband patterned magnetic microwave absorber[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 116(4): 044110.
超材料（Metamaterials）是一种人工设计的亚波长周期性单元结构，相比自然界中存在的材料，它具有一些独特的物理特性，如：负折射率、负磁导率、负介电常数、逆多普勒效应等，这些特性主要依赖于其基本组成单元的结构[1]。超材料在很多方面都有应用，如控制电磁波的传播方向、极化状态、超透镜、全息成像和电磁波吸收等。 自从Landy在2008年通过模拟和实验验证了超材料完美吸波的存在后，使用超材料用作吸波材料逐渐成为了一个全新的研究方向。当超材料作为吸波材料使用时，通过改变超材料的基本单元的尺寸，可以对超材料的等效介电常数和磁导率进行调控，进而实现其吸波峰的调节。超材料吸波体具有完美吸波、厚度薄、质量轻及频带可调等特点，但单一化的超材料吸波体往往由于其共振吸收的机理，导致吸收频带较窄[2]。
为了解决超材料吸波体吸收频带较窄的问题，国内外研究者进行了大量研究。研究方向大致有四个：第一，平面内多共振结构复合，即利用吸波超材料的共振频率与其结构参数有关的这一特点，通过在面内构筑不同结构尺寸的共振单元实现多频点，及宽频带的吸收。Shen等[3]在平面内复合三个大小不同尺寸的共振结构实现了三个频点的吸收。但是由于受制于面内空间的有限性和共振吸收机理[4]，这种结构只能实现几个频点的吸收，而且当共振结构单元距离过近时，容易产生耦合，削弱吸波能力。第二，多层结构复合，即对共振单元在竖直方向叠加。 Ding等[4]设计的金字塔结构实现了7.8～14.7GHz范围内90%以上的宽频吸收；Kim等[5]设计的圆台结构实现了3.93～6.05GHz和11.64～14.55GHz两个波段内90%以上的吸收；Long等[6]通过多层叠加设计了由大小金字塔阵列构成的棋盘状结构实现了7-18GHz频带内90%以上的吸收。这种多层结构虽然可以将共振吸收峰进行叠加，从而实现宽带吸收，但由于吸收峰与结构单元是一一对应的，所以材料整体的吸收带宽受制于叠加层数，这样要想获得带宽较宽的材料就需要很大的厚度，且制备也比较复杂。第三，构造立式结构：这种结构通常在入射波矢方向有相对较大的尺寸。Shen等[7]设计的非平面电阻膜结构，实现了3.9～26.2GHz范围内90%以上的吸收。这种结构相对于平面结构来说质量较轻，但是由于其“站立”姿态，其厚度较厚，且其机械强度相对较弱。第四，与传统吸波材料复合。东南大学叶璐等人[8]设计了一种基于磁性材料内部加载周期金属层的低频超宽带吸波器，实现了1.13GHz～4.8GHz频带内90%以上的吸波效果；Li等[9]结合超材料的概念，对传统吸波材料进行周期性的图案化处理得到一种4～40GHz范围内90%以上吸收的超宽带吸波材料，其厚度仅为3.7mm。可以看出这种复合的思路在带宽的拓展、低频段、厚度以及单元结构的复杂程度上相对前三种结构都具有很大的优势和发展空间。
目前关于吸波材料比较成熟的研究大多集中在4GHz以上的波段，在 L、S波段还存在一定空缺。鉴于传统磁性吸波材料在高频的宽带吸波特性和超材料吸波体的完美吸收、厚度薄、频带可调等特性，本课题拟将传统磁性吸波材料嵌入超材料基体中实现二者复合，从而设计出兼顾L、S波段的宽带超材料吸波体。通过本课题对低频段的宽带吸波超材料的探索，我们将深入了解复合超材料吸波体的吸波机理，探究磁性吸波材料与超材料的复合性能，对高低频兼顾的宽带吸波超材料的设计具有重要意义。
2. 研究的基本内容与方案
{title}研究的基本内容：首先，以片型超材料为例，对金属片和基体的参数进行调节，通过对场图、损耗分布规律以及吸收性能的分析，研究超材料的吸收机制，探究片型超材料的介质基体中的“冗余”区域，然后对“冗余”区域进行不同程度的裁剪，研究基体裁剪对片型超材料吸收强度、吸收峰位置的影响规律。
其次，以片型超材料为基础，构造多层结构的超材料，通过在每一层上布局不同结构参数的片型结构，以实现多峰吸收，再研究是否可以将不同吸收峰叠加，从而拓宽超材料的吸收带宽。
最后，对片型超材料进行裁剪，在裁剪区域填充磁性吸波材料，构成超材料与磁性吸波材料的复合结构，研究复合结构的整体吸收性能。
目标：
分析超材料单元基体裁剪后的吸波性能、电场和能量分布，深入研究基体的损耗机制；研究多层超材料单元复合后的吸波性能，通过分析电场和能量分布，实现超材料吸收峰的叠加，从而实现宽带吸收；基于研究结果并结合传统磁性吸波材料的吸波性能，将片型超材料和磁性吸波超材料复合，设计出兼顾L、S波段的宽频吸波材料。
技术方案及措施：本课题主要研究1～18GHz频段内材料的吸波性能，拟采用全波数值模拟软件Microwave Studio CST进行辅助设计。羰基铁粉是目前比较有效且使用比较广泛的磁性吸波剂，本课题拟采用由羰基铁粉和环氧树脂构成的复合材料作为磁性吸波材料来进行研究。 首先用实验室的矢量网络分析仪（Agilent Technologies N5230A）测出磁性材料的复介电常数和复磁导率，再将电磁参数导入模拟软件（CST）的材料库，以便仿真使用。然后根据研究内容，在CST中设计各种结构模型，模型设计完毕后设置边界条件和端口条件进行仿真，观察仿真结果（电场分布，能量损耗，S参数等），分析各个模型的吸波性能。
[1] 张明习. 超材料概论[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014：3.
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[5] Young Ju K, Young Joon Y, Ki Won K, et al. Dual broadband metamaterial absorber[J]. Optics Express, 2015, 23(4): 3861-3868.
[6] Long C, Yin S, Wang W, et al. Broadening the absorption bandwidth of metamaterial absorbers by transverse magnetic harmonics of 210 mode[J]. Scientific Reports, 2016, 6.
[7] Shen Y, Pei Z, Pang Y, et al. An extremely wideband and lightweight metamaterial absorber[J]. Journal of Applied Physics, 2015, 117(22): 2289.
[8] 叶璐，窦文斌. 基于磁性材料内部加载周期金属层的低频超宽带吸波器. 中国，发明专利. 201710709972.1[P].2018.1.30
[9] Wei L, Wu T, Wei W, et al. Broadband patterned magnetic microwave absorber[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 116(4): 388.
[10] 熊益军, 王岩, 王强, 等. 一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料[J], 2018, 67(8):084202.
[11] 刘祥萱, 陈鑫, 王煊军, 等. 磁性吸波材料的研究进展[J]. 表面技术, 2013, 42(04): 104-109.
[12] 王磊, 朱保华. 磁性吸波材料的研究进展及展望[J]. 电工材料, 2011, (2): 37-40.
[13] 杨竞帆, 屈绍波, 庞永强, 等. 太赫兹及红外吸波超材料研究进展[J]. 红外技术, 2017, 39(4): 323-328.
[14] Pang Y, Cheng H, Zhou Y, et al. Double-corrugated metamaterial surfaces for broadband microwave absorption[J]. Journal of Applied Physics, 2013, 113(8).
[15] 刘顺华，刘军民，董星龙. 电磁波屏蔽及吸波材料(第2版)[M]. 北京: 化学工业出版社, 2014.
[16] Cheng Y, Xue S M, Wu C, et al. Infrared non-planar plasmonic perfect absorber for enhanced sensitive refractive index sensing[J]. Optical Materials, 2016, 53: 195-200.
[17] Lee H M, Lee H S. A metamaterial based microwave absorber composed of coplanar electric-field-coupled resonator and wire array[J]. Progress In Electromagnetics Research C, 2012, 34: 111-121.
[18] Fan K, Strikwerda A C, Tao H, et al. Stand-up magnetic metamaterials at terahertz frequencies[J]. Optics Express, 2011, 19(13): 12619-12627.
[19] Hao J, Lheurette E, Burgnies L, et al. Bandwidth enhancement in disordered metamaterial absorbers[J]. Applied Physics Letters, 2014, 105(8).
[20] Li W, Wu T, Wang W, et al. Broadband patterned magnetic microwave absorber[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 116(4): 044110.
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