超构材料对电磁波的调控及在太阳射电观测中的应用研究

论文摘要

操纵人工微结构实现对电磁波的奇异调控一直是科技工作者研究的热点。超构材料（Metamaterials）是一种新型的人工微结构材料,因为其可以具有与常规材料不同的介电常数和磁导率,所以超构材料能够带来许多新奇的电磁特性,如负折射率、逆多普勒效应、完美成像等。其中一种具有双曲拓扑色散的各项异性超构材料被称为双曲（hyperbolic）超构材料,因为其具有大波矢（高k）和反常色散等特性,可以具有不同于其他超构材料的电磁特性,近几年受到了大家的广泛关注,但是在近紫外和可见光波段利用双曲超构材料与普通介质材料构建光子微结构实现特殊电磁调控的研究,特别是实验相关工作,在国内外开展还比较少,所以针对含双曲超构材料的人工光子微结构的相关科研探索的科研价值和应用前景广阔。超构材料由于具有天然材料所没有的奇异电磁特性,为高性能微波天线的设计提供了一种新的思路,针对超构材料天线的研究也已经广泛展开,但是超构材料天线在太阳射电领域的应用研究还未见报道。微波段是开展射电天文观测特别是太阳射电观测的重要窗口,天线作为观测设备的重要组成部分,其性能极大的决定了整个系统的观测性能。但传统的太阳射电观测设备由于需要捕捉微弱的太阳爆发信号,多采用大口径的抛物面天线,造成整个系统的体积庞大、造价高和维护难度大等缺点。特别是针对空基射电望远镜,其对天线本身的体积、形状和性能指标有更高的要求,因而对体积小、易共形和易维护的新型天线的研制是组建新型射电观测设备中非常重要内容。超构材料平面天线具有超薄、小尺寸、低质量及容易与其他器件共形等优点,如果可以实现大的辐射口径面积,同时又具有不低于传统抛物面天线的辐射性能,则可以替代传统抛物面天线用于设计新一代高性能太阳射电观测设备。本文的研究内容包含两部分,一是基于双曲超构材料实现的光子微结构的反常光子带隙和反常光子局域的理论和实验研究,二是超构材料平面天线在太阳射电观测中的应用研究。论文第二章中,我们利用双曲超构材料和传统介质材料组成光子晶体和光子异质结构,对这些人工微结构实现的反常光子带隙和反常光子局域开展了理论和实验研究。根据不同的研究内容,本章的工作分为以下两部分。（1）我们利用双曲超构材料和介质材料组成的一维光子晶体,在实验上观察到了一个对入射角度不敏感的光子带隙,光子晶体中的双曲超构材料是由亚波长金属介质多层膜实现。这种角度不敏感的光子带隙是由于双曲超构材料与介质材料中的相位变化补偿效应导致的。具有角度不敏感的光子带隙的人工光子微结构可以用于设计全向反射器和全向滤波器等新型光子器件。（2）在近紫外和可见光波段,我们从理论上和实验上研究了由金属和含双曲超构材料的有限光子晶体组成的光子异质结构中的角度不敏感的界面模,并利用该结构实现了宽角度的完美光吸收。这种无色散的界面模来源于金属与含双曲超构材料的有限光子晶体组成的光子异质结构中的相位补偿机制。我们的实验结果表明,在0-45度的角度范围内,光子异质结构对光的吸收超过了0.91,可以用于设计宽角度的完美光吸收器。论文第三章中,在微波段,我们利用磁单负超构材料的奇异电磁特性,进行了亚波长超构材料平面天线的理论和实验研究,并进一步进行了基于该新型天线的太阳射电观测设备的研制和观测研究。本章的研究工作分为以下四部分:（1）我们首先设计了可实现零反射相位的人工磁单负平面超构材料,利用这种超构材料,在GHz频段构造了具有超大接收面积的亚波长谐振腔超构材料平面天线。该天线在具有平面化和超薄厚度的基础上,同时具有超大的辐射口径、高增益和良好的方向性等优良特性。该类型天线的有效接收面积主要由天线辐射源阵列的大小决定,而其方向性等性能主要与辐射源阵列的排布方式有关,我们发现非均匀馈电方式比均匀馈电使天线有更好的性能。进一步研究发现,该类型天线具有与相等有效接收面积的抛物面天线非常接近的性能指标,因此,具有替代传统大型抛物面天线用于太阳射电观测的潜在应用价值。同时为了实现在高频点的太阳辐射流量监测,设计并制备了多个频点的大尺寸亚波长谐振腔超构材料平面天线。（2）为了解决太阳射电观测中多频点观测的需求,我们利用双层的平面超构材料,在GHz频段设计了一个可以独立辐射或接收两个频率电磁信号的亚波长谐振腔平面天线。我们制备了该天线并在微波暗室中测量了天线的辐射性能,该天线在具有平面化和超薄厚度的基础上,同时在两个工作频率都具有高增益和良好的方向性。该新型双频天线很好的克服了传统腔体天线受腔体共振条件限制,只能在共振频率或共振频率倍频工作的缺点。（3）为了满足太阳射电观测中对不同圆极化电磁辐射信号的观测需求,我们基于磁单负超构材料,进行了圆极化亚波长谐振腔超构材料平面天线的理论和实验研究。我们设计了有圆极化信号选择特性的亚波长谐振单元,并以此构建有圆极化信号选择能力的超构材料,利用这种超构材料作为腔体天线的部分反射层,辐射源采用普通的线极化辐射贴片,实现了接收圆极化电磁波或者将线极化电磁波转换成圆极化电磁波辐射出去的功能,该天线结构简单,不需复杂的馈电网络就可以实现高性能的圆极化天线辐射性能。（4）基于新型亚波长谐振腔超构材料平面天线,我们研制了一套F107指数太阳射电辐射流量计,该新型辐射流量计具有模拟器件少、可以绝对定标、重量轻、体积小、便于组装架设、方便更换测试地点等优点。我们利用辐射流量计进行了长时间的太阳F107指数观测,观测结果与国外数据同类设备的观测结果吻合。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 路光

导师: 陈耀,杜桂强

关键词: 超构材料,双曲超构材料,光子晶体,光子带隙,光子局域,超构材料天线,太阳射电望远镜,太阳射电辐射流量计

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 山东大学

分类号: TB34;O441.4

总页数: 129

文件大小: 15933K

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