吸收频率可调范围宽的铁氧体基超材料及其带宽拓展

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在现代信息社会，微波吸收材料在电磁屏蔽、天线、隐身技术等军事民用领域有着重要应用。而日益复杂的电磁环境及多样的微波发射源要求微波吸收材料可以应用在更宽频段，因此，如何拓宽吸收带宽成为目前吸波材料的热点之一。目前，羰基铁粉涂层可以在较薄的厚度内实现对高频的宽带吸收，但对低频的吸收能力较差；超材料虽然能在较薄厚度内在低频实现强吸收，但通常为窄带吸收，即使通过多种方式可以拓宽超材料的吸收带宽，但拓宽仍然有限。可调谐吸波超材料的出现为解决超材料的低频吸收问题提供了新的方法，但调谐范围过窄而限制其应用。在本论文中，我们提出通过将具有优异调谐性能的铁氧体作为基体材料，并将其与恰当的金属结构复合，实现了在低频具有宽调谐范围的可调谐吸波超材料，并在此研究的基础上，将所设计的可调谐结构与高频宽带吸收材料复合，在较薄的厚度内获得了具有低频宽调谐范围、高频宽带吸收的吸波材料。具体工作如下：
　　首先，通过将传统材料铁氧体与金属栅条结构复合，在外加磁场下实现了吸收峰在0.62到5.74 GHz的调谐，并且吸收强度保持在0.9以上。在我们的设计中，铁氧体的铁磁共振频率受外加磁场的调控，提供了优异的调谐性能，但在入射电磁波与偏置磁场同向时存在很强的极化转换，而金属栅条结构具有极化选择特性，通过将两者复合获得了在低频具有宽调谐带宽的可调谐吸波超材料。结果表明，存在两个相互独立的吸收机制：一个源于金属栅条对入射电磁波的衍射，并在栅条下方的铁氧体部位相互干涉并发生损耗；另一个则是由于栅条对电磁波的衍射及铁氧体自身的铁磁共振，使电磁波在栅条之间的铁氧体区域发生损耗。由于这两个吸收机制是相互独立，且分别与栅条宽度和栅条间距相关，很容易通过调控这两个参数使两个吸收峰相融合以获得更好的吸收性能。
　　其次，在前一工作的基础上，将栅条之间的铁氧体部分去除，并填充高频吸收材料，如羰基铁粉，实现了低频吸收峰可调、高频宽带的吸波材料。以羰基铁粉为例，在超材料厚度仅为1.5 mm时获得低频吸收峰在0.92到6.24 GHz范围的可调、同时在7.5到18 GHz具有85％以上的吸收性能。通过分析高频吸收峰的场图及栅条结构参数对高频吸收性能的影响，可知高频吸收性能与经栅条衍射的电磁波在栅条下方发生干涉作用密切相关，因此高频吸收性能不仅与高频吸波材料相关，也受金属栅条线宽的影响。分析结果表明，选用性能优异的高频吸收材料，并将其与所设计的低频可调谐结构复合，可以在较薄的厚度内获得更优异的吸收性能。

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作者
卫家;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科材料科学与工程
授予学位硕士
导师姓名官建国;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类功能材料;
关键词
超材料吸收体; 宽调谐范围; 微波铁氧体; 复合设计; 带宽拓展;

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