柔性微波频选电磁结构的设计及其电磁特性研究

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频选电磁结构作为微波技术的重要组成部分,在电磁波辐射特性的调控中有着广泛的应用。结合柔性电子技术实现频选电磁结构的可弯折、可延展,可以进一步扩展频选电磁结构的实现和应用方式,还能够为实现新模式的频选电磁结构提供物理条件支撑。然而,由于柔性频选电磁结构具有可大变形、与现有制备工艺难以直接兼容等特点,其结构设计、制备手段、调控方法等关键技术中仍存在很多亟待解决的问题。因此通过研究柔性频选电磁结构在大形变条件下的电磁响应变化内在机理,提出相应的柔性化设计方法,实现对形变与电磁性能耦合特性的有效调控,并探索适应于柔性频选电磁结构的应用途径,对进一步推动柔性频选电磁结构的发展和扩展频选电磁结构的应用方式具有较为重要的意义。本文以柔性超宽带天线、频选表面和电磁诱导透射器件等典型频选电磁结构为研究对象,围绕柔性化设计中的力电耦合特性调控和大面积可控制备等问题开展了一系列研究,发展了基于柔性材料-可形变结构综合设计方法的柔性频选结构设计和适用于大尺寸柔性频选电磁结构的区块化设计策略,并进行了实际样品的制备与表征。论文的主要工作具体如下:(1)结合柔性材料和可形变结构的频选电磁结构设计研究。首先设计了一种工作于3.5 GHz~17.8 GHz频率范围内的柔性超宽带贴片天线。通过在传统矩形贴片单极天线设计中加入O形槽结构,有效提高了天线在与曲面共形前后的性能一致性,同时还可实现天线带宽的有效展宽。测试结果表明,天线在贴附于弯曲半径低至11 mm的圆柱体时,其反射系数在工作频率范围内依然保持在10 d B以下,天线可正常工作。天线的带宽相比于无O形槽结构时消除了其在6 GHz~8 GHz频率范围内的阻抗失配。其次,设计了一种工作在X波段的共形频选表面。在分析频选表面透射性能与弯曲形变的耦合特性的基础上,通过在单元结构中引入折线形和蛇形耦合结构,实现了频选表面在共形时的性能稳定。测试结果表明,蛇形结构频选表面在弯曲弧度为π/3、π/2和π时贴附在圆柱体上,其频率基本不发生偏移,始终保持稳定的频选特性。相比于初始的直线形及折线形耦合结构10%和5%的频率偏移有着大幅度的提高。在此基础上,提出了基于“亮-亮”模式耦合的柔性电磁引诱透射器件。研究了器件单元通过“亮-亮”模式耦合而实现电磁引诱透射效应的实现机理和形变对器件性能的影响规律。同时探索了该器件在电磁探测方面的应用潜力,提出了基于人工表面等离基元实现电磁诱导透明的方法,并在微波频段下实现品质因子10.6及灵敏度13.33 mm/RIU的折射率探测,使得器件品质因子和灵敏度在整体上有一个较高水平。(2)面向大尺寸柔性频选电磁结构的制备,提出了一种区块化设计与制备策略。基于“转移再定义”的思路,通过将前驱结构转移至柔性基底后利用激光加工方法进行电磁功能结构定义,避免了直接向柔性基底转移分立结构单元可能出现的转移不完整、转移精度难以控制等问题,简化了大尺寸柔性频选结构的制备流程。基于此方法设计并制备了250×250 mm2的柔性频选表面。基于相同的方形环前驱结构,通过三种块排布定义实现了具有不同应变-电磁性能耦合特性的频选表面。结合电磁场分析和等效电路模型,关于块定义对耦合特性的调控机理进行了分析。结果表明,定义后的三种频选结构在相同的应变条件下表现出不同的响应特性,实现了频选特性对变形灵敏度可控调节的频选表面。进一步地,利用区块化设计方法进行了具有超大群延时特性的带宽可调电磁引诱透射器件设计,展示了区块化设计方法的普适可行性。结果表明,利用区块化设计实现的电磁引诱透射器件可以对其带宽及其群延时特性进行大范围动态调控,且可以根据应用场景对其应变敏感度进行调节,配置其电磁特性对变形的依赖关系。基于相同前驱结构,实现了在高达30%的应变加载下具有可调带宽或者稳定频率响应特性的电磁引诱透射器件。(3)为探索复杂场景下柔性频选电磁结构的应用,研究了基于三维折纸结构的柔性微波频选结构的设计及性能调控策略。设计并制备了基于折纸结构的柔性电磁诱导透明器件。通过改变折纸折叠状态及单元排布方式,实现了带宽及中心频点可动态调控的器件。基于该方法所设计的机械可重构单层频选表面,可实现25%的分数带宽以及超过300%的调制深度,大幅度提高了单层频选表面的带宽及调控范围,同时简化了设计及制备难度。基于电场及等效电路分析,阐释了频选表面带宽可重构的机理。提出了基于折纸结构设计的单层机械可重构频选表面的设计方法。
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