调控电磁特性超材料设计及其性能研究

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1、分类号学号D201277514学校代码10487密级博士学位论文调控电磁特性超材料设计及其性能研究学位申请人：程用志学科专业：微电子学与固体电子学指导教师：龚荣洲教授聂彦教授答辩日期：2015年4月9日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringTheStudyonMetamaterialDesignandPerformanceforManipulatingElectronmagneticPropertiesP

2、h.D.Candidate：ChengYongzhiMajor：MicroelectronicandSolidStateElectronicsSupervisor：Prof.GongRongzhouProf.NieYanHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaApirl,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已

3、在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。本论文不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要新型超

4、材料设计，探索其单元结构电磁响应特性，完善其理论计算体系和分析方法，推进其在隐身材料、光电器件等领域的应用研究具有重要的意义。本论文正是基于这些研究热点，为实现完美电磁损耗、传输以及极化转换等电磁特性调控，提出了一系列超材料基本单元结构设计方案。采用数值模拟、实验验证以及理论分析，研究超材料单元结构电磁响应特性，探索单元结构内部机制。主要工作及创新成果如下:1．基于十字型结构，构造出单频带、双频带以及宽频带超材料吸波体。首先、设计了十字型结构完美超材料吸波体，通过仿真和实验进行了验证。基于谐振电路理论，通过仿真进一步研究了十字型吸波体谐振吸收频率对其几何参数的依赖关系。其

5、次、设计了十字型结构单层共平面双频段、四频段以及多频段完美超材料吸波体并提出对应的等效电路模型，通过仿真进行了理论分析和验证。最后、基于多重谐振叠加原理设计了十字型多层结构吸波体并通过仿真和实验进行了验证，设计的四十层十字型结构吸波体，吸收率大于80%的相对带宽达到了63.3%。2．基于集总元件的超材料吸波体宽频化设计。在传统的超材料单元结构中加载集总元件能够有效地改善电磁谐振特性与阻抗匹配特性，增强电磁损耗，展宽吸收频带。基于这一思想提出了两种不同谐振器加载集总元件的宽频带超材料吸波体。分别建立了对应的等效电路模型，利用反演法提取等效电磁参数和单元结构表面电流分布解释其

6、吸收机理，通过单元结构能量损耗分布特点分析其吸收特性，最后通过实验进行了验证。设计的集总元件加载的U型结构吸波体吸收率大于90%的相对带宽达到81%。设计的集总元件加载的四重开缝环复合结构吸波体在2-6GHz范围内吸收率大于90%的相对带宽达到50%。3．巨圆二色性、巨旋光性、超透性与负折射率手征超材料设计。首先，设计了一°种基于四重90交错开缝环对结构的平面手征超材料，实验测试得到的圆二色系数在谐振频点达到0.58，同时该结构还具有负折射特性。其次，基于Babinet原理设计了互补°U型结构组合双层平面手征超材料，实验测试得到的极化旋转角达到83，旋光效应得到了有效的增

7、强，同时表现出双频带负折射特性。进一步降低该手征超材料单元结构尺度，其在红外频段同样表现出巨旋光效应和负折射特性。最后，设计了超薄双层互I华中科技大学博士学位论文补共轭结构手征超材料，并进行了仿真分析实验验证。该手征超材料不仅表现出巨旋光效应和负折射特性，同时还具有超强透射特性，透射系数达到0.87。还研究了传输系数、旋光效应以及负折射特性对手征结构几何参数的依赖关系。4．基于不对称结构平面手征超材料极化转换器设计。首先，设计了一种基于不对称的圆形双开缝环谐振器（DoubleSplitRingResonator，DSRR）结构