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高阻抗表面材料电磁特性.doc

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高阻抗表面材料的电磁特性——合作性学习汇报 第二组 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 23.1 阻抗 .23.1.1 本质阻抗 .23.1.2 复本质阻抗 53.2 低损耗媒质阻抗:(良导体) 54.高阻抗表面的反射特性 65.高阻抗表面材料的其它应用 .76.参考文献 711 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殊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量来描述: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可能存在的奇异性质,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(Reflective phase)随着频率的变化从 连续变为 ,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 0 时,其等效特征阻抗将趋向一,即存在高阻抗表面;另外,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,这与普通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,为了满足导体表面的切向电场分量为零的边界条件,反射波的相位与入射波相反,形成 180°的相位差。23 高阻抗表面材料的原理3.1 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分量为零。而只有反射波与入射波反相,才能满足导体表面的电场和磁场的切向分量为零这一边界条件。在这种情况下,如果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。为避免这种情况,导体反射面与天线之间的距离需维持为的距离( 为波长),使反射波与天线的发射波同相传播。43.1.1 本质阻抗对于电磁吸波材料,其电磁参数 μ 、 ε 一般都具有复数形式,可表示为:(1)''''-j它们的实部和虚部都是频率的函数,而且 ε″ 、 μ″ 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:3(2)2' 2''''11Re)(1Re21eEjjj EjJEw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 ε″ 成比,同样,在磁性介质中可得单位体积的磁损耗为(3)2' 2''''11Re)(11Re2eHjjj HjHtBw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。根据电磁波理论,入射电磁波可以分解为垂直极化波和水平极化波。先讨论垂直极化波入射的情况,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(4)zzyxyzxxz HtEHt''''''介质中的平面波场分量可以表示为:4(5))(0)(0cosinyxtjz xtjy yxeHE式中E0 、H0 、 θ 分别为电场幅值、磁场幅值、电场与y轴的夹角 ,α 、 β 为复常数。(6)000 )''(sincosco)''(iHjEjjjj 由式(6) 的前两式相除可得 (7)cosin由式(6) 的第三式可得 H0 = jω (β sinθ +α cosθ ) (8)把式(8) 代入式(6) 的第一式可得 (9)sin)''''cossin(jjj ()化简上式可得 (10)sin'-1''1cossinjj把式(7) 代入式(10) 可得(11) sin'1''' jj同理可得5( 12)cos'1')'(' jj根据电磁波理论,介质的波阻抗为电场与磁场之比,因此有(13)'1'-' '1'-sin)'1(' ''sinsi)''(0jjjjHEZ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) 直接讨论两种材料波阻抗是相当复杂的。而求一定条件下的电磁参数的匹配条件则不失为一个好的办法。根据式(13) 的特点,可以看到当下式成立时(14)''由式(13) 可得材料的波阻抗即为(15)'Z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 ε ′=nε0 , μ ′= nμ0 ( n 为大于零的任意实数) 。如果材料无耗,即是 ε ″= 0 , μ ″= 0 ,且n = 1 ,此时介质即退化为空气介质,即二者是同一介质,问题显然成立;如果介质是有耗的,则介质的介电常数的虚部和磁导率的虚部的值也必须分别为 ε ″= nε0 , μ ″= nμ0 ,同时注意到式(14) 和式(15) 中都不包含频率 ω 和入射角 θ ,也即它们与频率 ω 无关, 也与入射角 θ 无关。阻抗与反射系数6令 Z定义两介质的反射系数为 12R3.1.2复本质阻抗(用复介电常数 代替无损介质中的 )~ie~3.2 低损耗媒质阻抗:(良导体)导体内电磁波传播情况,良导体的条件为 1可近似为:和 2相应的,低损耗媒质的本质阻抗为: 21~j典型金属的趋肤深度、表面电阻和相速材料名称 电导率 )1mS(磁导率 )(1H趋肤深度 )( m表面电阻 )(R相速 )(1smp7金 710.4-7104f.86f-7103.f.493银 76. -7f.42f-7.5f.2紫铜 7105.8-7104f.60f-710.6f.45铝 73.2-7f.82f-73. f.8黄铜 7105.-7104f. f-7105.f.9焊锡 7.6-7f.8f-7.3f.4.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: 仿真模型:2.10,2,3.0,5.12 rmhrmgw,8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。根据电磁原理,平面波垂直照射在阻抗为 的阻抗表面sZ上,表面的反射系数为: SZR式中 为空气的波阻抗。对于金属板的表面阻抗为 0,反射系数 ,反射波与入射波 1R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 变化。当频率在低端和高端时,-180—,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1,0RZs近谐振频率时 ,此时反射波与入射波方向相反,反射相差为 0,此时高阻抗,s表面相当于理想磁导体。在谐振频率士 90°的频率范围内即为高阻抗表面的工作带宽。95.高阻抗表面材料的应用应用优势:基于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。6.参考文献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研究,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研究,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研究,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》
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