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文本内容:
高阻抗表面材料的电磁特性——合作性学习汇报其次组刘竹友高阻抗表面材料的电磁特性11高阻抗表面材料概述12高阻抗表面材料的电磁特性13高阻抗表面材料的原理1阻抗1本质阻抗1复本质阻抗5低损耗媒质阻抗(良导体)
5.高阻抗表面的反射特性
6.高阻抗表面材料的其它应用
7.参考文献71高阻抗表面材料概述人工特性电磁材料电磁特异材料Metamaterial是由对电磁场具有特别响应的人造谐振结构组成,只是原来原子和电子被人造的共振结构单元所代替但在长波极限条件下,基于有效媒质理论同样可以用两个宏观等效的参展来描述:有效介电常数和有效磁导率这种材料可以被设计成具有一些自然界中很难或不行能存在的奇异性质,而这些性质起源于特异材料的亚波长结构细节,而非材料本身的化学成分高阻抗表面材料一种新型金属电磁特异材料,该材料具有高阻抗表面结构这种结构的特点是以金属为衬底的介电材料层上周期性排列金属微结构,微结构和金属衬底之问用1根小金属棒相连接2高阻抗表面材料的电磁特性当1束电磁波入射到此结构表面时,它的反射波相位Reflectivephase随着频率的变化从乃连续变为-乃,表明其中必有1个频率所对应的反射相位为0即存在同相位反射;而当体系的反射相位为时,其等效特征阻抗将趋向一,即存在高阻抗表面;此外,在某些特定的频段区域存在表面波的全带隙,也就是TE表面波模式和TM表面波模式会同时被抑制这种结构表面具有很高的阻抗,能在特定频段内能实现电磁波的同相位反射,即反射波与入射波的相位养为零,这与一般金属板的相位反射有很大的不同对于金属反射板,电磁波正入射时,会在其表面发生反射,为了满意导体表面的切向电场重量为零的边界条件,反射波的相位与入射波相反,形成180的相位差3高阻抗表面材料的原理阻抗对于良导体,电磁波基本上不能进人渗入到导体的内部,当电磁波正人射时,会在其表面发生反射,反射波与入射渡的相位在导体表面上正好相差”相位角,也就是说,反射波与人射渡足反相的由于导体内部不存住电磁场,导体丧面的电场与磁场的切向重量为零而只有反射波与入射波反相,才能满意导体表面的电场和磁场的切向重量为零这一边界条件在这种状况下,假如天线位于较靠近导体表面的位置,天线所产牛的电磁波存导体表面所引起的反射波的相位与天线所直接反射的电磁波的相位几乎是相反的,因而会大大减小天线的反射效率为避开这种状况,导体反射面与天线之间的距离需维持为%的距离4为波长,使反射波与天线的放射波同相传播本质阻抗对于电磁吸波材料,其电磁参数〃、£一般都具有复数形式,可表示为:=£-j£I•⑴它们的实部和虚部都是频率的函数,而且f〃、〃〃总是大于零的正数它们的虚部是与损耗相对应的,分别对应着介电损耗与磁损耗在电介质中,单位体积的功率损耗可由下式表示vv=Re—E•J*=Re——jcos*E*•El_2」2,J=Re-;加£+凡炉=Rc-cocE1-j—coeE~2_22_L2=—0£E2式中E为振幅值由此可见介质内单位体积的介电功率损耗与£〃成比,同样,在磁性介质中可得单位体枳的磁损耗为
1..=—jDjuH~式中H为振幅值由此可以看出介质内单位体积内的磁损耗与也成正比介质材料的波阻抗不失一般性,考虑平面电磁波斜入射到介质上依据电磁波理论入射电磁波可以分解为垂直极化波和水平极化波先争论垂直极化波入射的状况,也即电场E平行于入射面在直角坐标系中,其在电磁吸波材料中的波方程dy介质中的平面波场重量可以表示为:纥=-EoSine・〃wSElEoCos”.—H:=/〃阳9的式中及、H、〃分别为电场幅值、磁场幅值、电场与釉的夹角,、万为更常数jcopHQ=3+J6⑼4sin6•jaaHo=£+j£cEocos6j
①aEcos^+j
①徒sin6=“+由式6的前两式相除可得asin0小—=——-7pcos6由式6的第三式可得“o=jWSsin8+acos08把式8代入式6的第一式可得.0汝夕sinO+acosz、.八J邳=U+JO£sm*+JW⑼化简上式可得0例山里=~£]sine10一I向把式7代入式10可得依据电磁波理论,介质的波阻抗为电场与磁场之比,因此有“osinsin1一声7^=唉生13£一一;sm9V1-j—;0£\0£对于平行极化波,仿以上推证过程,同样可得到介质中波阻抗仍为式13材料电磁材料参数显见通过式13直接争论两种材料波阻抗是相当简单的而求肯定条件下的电磁参数的匹配条件则不失为一个好的方法依据式13的特点,可以看到当下式成立时匕7二——⑷4£由式13可得材料的波阻抗即为由上式可见此时材料的波阻抗即为材料磁导率和介电常数的实部比值的均方根在阻抗材料研制时,通常是材料与空气介质的匹配,此时可取=〃口〃为大于零的任意实数)假如材料无耗,即是£〃=0〃〃=0且〃=1此时介质即退化为空气介质,即二者是同一介质,问题明显成立;假如介质是有耗的.则介质的介电常数的虚部和磁导率的虚部的值也必需分别为£=,3同时留意到式
(14)和式
(15)中都不包含频率出和入射角,也即它们与频率3无关也与入射角〃无关阻抗与反射系数令”=z定义两介质的反射系数为R=生二%|小+7|
3.
1.2复本质阻抗(用复介电常数春代替无损介质中的£)
3.2低损耗媒质阻抗(良导体)导体内电磁波传播状况,良导体的条件为‘二1COC工”工区a和夕可近似为
2、£P«CDyfp£典型金属的趋肤深度、表面电阻和相速.高阻抗表面的反射特性通过对一个单元晶胞的仿真得到无限大高阻抗表面的频率响应高阻抗表面参数如下卬=12〃,g=
0.5/71/hr=O.3hi/77h=2nvn£r=
10.2仿真模型:用HFSS仿真得到高阻抗表面单元结构的相位反射,可以看出,相位是随频率变化的依据电磁原理,平面波垂直照耀在阻抗为Z$的阻抗表面式中〃为空气的波阻抗对r金属板的表面阻抗为o反射系数尺=一1反射波与入射波有180°的相位差对于高阻抗表面,由于其表面阻抗随频率变化到无穷大,反射波与入射波的相位差也随频率增加,从180——18变化当频率在低端和高端时,Z=等效于金属板,反射波与入射波方向相反,反射相位差为180°;当接近谐振频率时ZfsR=l此时反射波与入射波方向相反,反射相差为0此时高阻抗表面相当于抱负磁导体在谐振频率±90°的频率范围内即为高阻抗表面的工作带宽高阻抗表面材料的应用应用优势基「高阻抗表面的同相位反射特性,在传统波导内壁增加反射板,电磁波的入射波和反射波能实现同相叠加,使电磁波沿特定方向传播.参考文献1)高阻抗的电磁波反射表面,张冶文,陈鸿2)高阻抗表面的反射特性争论,刘亚宁,郭宇,王素玲3)电磁吸波材料中的阻抗匹配条件,黄刘宏,丁世敬4)人工电磁特异材料的物性争论,郝加明5)阻抗在电磁场中的推广与应用,邓阿丽6)分层介质中电磁波传播的材料及反射系数的争论,鲍文娟,王金良,金硕,陈子瑜7)各向异性吸波材料对电磁波的反射,吴明忠8)基于高阻抗表面材料电磁特性的矩形波导,黄丽,蒋练军,张学军,崔宪普,9)《电磁波理论》10)《工程电磁波》材料名称电导率磁导率趋肤深度表面电阻相速■7S•〃尸RQ金
4.1X1074x
1070.078^
773.1OxlO-7T
70.493/7银
6.17xl0747rx
1070.
0642.52x1O-7V
0.402/7紫铜
5.80xl074冗x10-
70.066/
772.61x10%
0.415/7铝
3.72x1074^-xlO
70.082^
773.26x10%
0.518/7黄铜
1.57xl074^-xlO-
70.127/7/
5.01x10-7V
70.798/7焊锡
0.706x10744x
100.网
7.73x10%
1.19。