太赫兹超材料相位调制结构设计与研究

这是一篇关于太赫兹波,相位调制,超材料,石墨烯,二氧化钒的论文, 主要内容为太赫兹波具有广阔的应用前景,相位调制器是实现太赫兹系统应用的一类重要功能器件。本文基于超材料结构的研究基础,从动态调制的应用需求出发,研究了实现太赫兹波相位调制功能的透射式、反射式、可切换的超材料器件结构。利用二氧化钒与石墨烯等可以动态控制的材料与传统设计相结合,依据在不同应用场景下的需求设计了一系列的太赫兹超材料功能器件。利用三维电磁仿真和多极子散射能量的计算深入分析了所设计器件的工作原理和功能特性。主要工作如下:(1)基于可调材料二氧化钒与人工微阵列结构相结合设计了动态可调的透射式太赫兹相位调制器。设计沿用经典的超材料设计方式,通过对二氧化钒电导率的控制,相位可以在不改变结构几何参数的情况下在0.5 THz的带宽范围内实现140°的动态相位调控,并且调控过程中带宽近乎不变。(2)基于可调谐材料石墨烯,设计了一种反射式相位调制结构。所设计反射式相位调制结构晶胞采用了传统的三层超材料结构设计。通过对结构中石墨烯进行合理参数化控制,所设计的结构可以实现在不改变几何参数的情况下对相位进行动态调控。在两种不同的控制模式下,结构都能实现超过300°的相位变化。结构中的石墨烯采用耦合化设计,有效提升了相移量的大小并明显减小了晶胞结构的复杂程度。(3)在前两部分关于可调材料石墨烯、二氧化钒以及透射式与反射式相位调制结构研究的基础上,设计了一种透射模式与反射模式可切换的相位调制结构。该结构采用多层超材料堆叠设计,石墨烯居于结构中间部分,作为相位调制的关键,并将二氧化钒置于底层作为模式切换的开关,实现了结构反射模式与透射模式之间的切换。当温控材料二氧化钒处于绝缘态时,结构处于透射模式下,通过外加激励对石墨烯费米能级的改变,结构可以实现150°的相位动态可调。当二氧化钒经历可逆相变至金属态时,结构切换至反射模式,同样利用石墨烯费米能级的改变,结构实现了260°的相位变化。通过本文的研究,对不同相位调制结构的实现原理与性能优化进行了理论探究,设计了多个相位调制结构。研究的太赫兹超材料功能结构,可为太赫兹相位调控器件设计提供一种新思路。

基于深度学习的超材料太赫兹吸收器设计方法研究

这是一篇关于超材料,太赫兹吸收器,深度学习,卷积神经网络的论文, 主要内容为超材料是具备自然界中材料所不具有的电磁特性的人工材料,超材料吸收器作为超材料应用的重要器件之一,因其对入射电磁波的高效吸收特性引起广泛关注与研究。随着深度学习的发展,超材料吸收器的设计可以引入深度学习从而实现智能化,解决传统设计方法的局限性和低效性。本论文对深度学习应用于太赫兹超材料吸收器的设计方法展开研究,主要工作包括:1、基于MIM结构的太赫兹多频吸收器,搭建一个深度为6层的全连接神经网络,构建期望目标频谱到谐振单元中6个结构参数的单向映射,训练后的网络模型可以在几毫秒输出设计参数,与原始结构参数的误差在0.01μm～0.1μm范围内,且逆向设计输出的参数通过仿真得到的吸收谱与输入目标谱具有很好的一致性。2、提出一种矩阵编码的方案表征吸收器的不同谐振单元构型,通过一个64*64维度的0/1矩阵分别编码表示十字形、工字形、“H”形、双开口环形、耶路撒冷十字形以及单开口环形六种不同类别的谐振图案,既弥补了结构参数化设计的局限性,实现了单一维度到谐振单元表面二维层次的扩展,又极大减少了直接用图像处理的数据量和系统复杂程度,且矩阵的维度可以根据实际设计精度需求进行灵活更改。同时基于卷积神经网络和全连接网络搭建了逆向SDCNN和正向SPCNN两个网络模型,构建出结构矩阵与吸收频谱之间的双向映射。逆向SDCNN网络输出结构矩阵所具备的吸收响应与输入的期望吸收响应基本一致,正向SPCNN网络能够在几毫秒预测出给定结构矩阵的吸收频谱,与仿真结果良好吻合,显著地提升了器件设计效率。3、将本文搭建的网络模型应用于多层掺杂硅介质纵向堆叠的宽带吸收器设计中,在0.6THz～4THz的工作频率内,可以实现2THz带宽范围高于90%的吸收。进一步优化矩阵编码化方案,在矩阵中引入介质高度这一变量,将谐振单元平面二维的编码方式扩展成三维,实现基于深度学习的立体结构吸收器设计,优化神经网络结构后,实现了全介质立体结构宽带吸收器的逆向设计以及吸收响应的正向预测。上述工作充分验证了本文所搭建网络模型的泛化能力和鲁棒性,可实现不同频谱特点和不同结构维度的电磁吸收器件设计,且有望拓展到其他超材料器件的设计以及对应的电磁响应频谱预测研究中。

基于超材料的电磁波损耗、传输及极化特性调制研究

这是一篇关于超材料,超宽带吸收,电磁诱导透明,非互易吸收,Anapole模式理论,多功能器件的论文, 主要内容为在21世纪初期,John Pendry爵士用一篇前瞻性的理论工作《Negative refraction makes a perfect lens》[1]掀起了超材料二十多年来经久不衰的研究热潮。超材料是指一种人工周期复合材料,其单元尺度远小于工作波长。通过对表面基本谐振单元进行有序结构设计,使其获得常规自然材料不具备的超常物理性质,如负折射、电磁隐身、波束控制、极化偏转等等,为人们自由调控电磁波的频率、振幅、相位、极化等多维电磁属性提供了全新的设计思维与理念,如何精确调控电磁波特性并使之按照人们的意愿实现不同的功能成为了当前各个领域学者争相研究的焦点。本文主要围绕电磁波的损耗、传输以及极化三大基本特性,设计了五款功能各异的超材料器件,分别实现了超宽带激元吸收、Anapole模式吸收及传感、非互易电磁诱导单向吸收、混合模式宽带电磁诱导透明、功能(电磁吸收和极化转换)及频率可重构超材料等特殊电磁响应。相关研究成果在电磁隐身以及通信等领域具有重要潜在应用价值。主要研究工作如下:1.采用螺旋垂直级联技术设计了一款超宽带超材料激元吸波器。该激元吸波器在三层特殊尺寸比例的介质体中以垂直拓扑堆叠的方式嵌入了多个不同尺寸比例的纳米金属螺旋,在189～3896 nm内实现了超宽带吸收,相对带宽达到了181%,可基本覆盖近紫外波段,可见光波段和近红外波段。超宽带吸收现象可归因于金属螺旋中的纵向局域表面等离子体激元模式耦合和介质空隙中的横向法布里-珀罗腔模式和间隙等离子体激元耦合。其中,部分金属螺旋的旋向采取间隔反向设置,形成极化相消干涉模式,从而进一步提升了吸收性能。该结构排布同样有助于实现大角度入射稳定性,在入射角为±70°范围内,TE模式吸收率基本保持在90%以上。与现有报道的宽带吸波器相比,该设计兼具更宽更高效的吸收频谱和更优秀的角度稳定性,在太阳能电池、电磁隐身、光伏器件等领域有着重要的应用价值。2.基于Anapole模式的近场局域增强和远场抵消的特性,提出了一款三维空间型Anapole模式超材料吸波器,在THz波段实现了约50%的单频吸收现象。为了进一步增强吸收效率,提出了一种吸收增强机制,通过增加不对称立式分裂环,引入额外的磁偶极子分量,形成多偶极子混合干涉模式。研究结果表明,吸收率可达到了98.51%,且远场辐射被大幅度抑制。此外,在近场电场局域中心,电场强度相较于入射波场强增大约200倍,该近场局域增强特性和高吸收峰为传感特性提供了实现平台。研究结果表明,该Anapole超材料吸波器对背景环境介电常数表现出了优良的传感性能,在介电常数1～1.5的测量范围内,传感灵敏度为341GHz/RIU,且线性度保持良好。该Anapole模式吸波器的设计思路以及吸收增强机制丰富了多偶极矩理论框架,为实现生物传感、非线性光学、电磁隐身等应用提供了实现平台。3.通过在传统电磁诱导吸收的明-暗-明模理论中引入不对称空间调制概念,设计了一款非互易电磁诱导单向吸收超材料单元结构。该空间调制可以等效为一个不对称单向波导通道,形成了明模-多暗模-明模的单向干涉机制。研究结果表明,前向入射状态下,在2.59GHz频率处实现87.87%的电磁诱导吸收峰;而在后向入射状态下,该吸收峰消失,形成了宽带电磁诱导反射,正反向吸收隔离度达10.79 d B。将该该超材料单元结构进行准周期排列以进一步增强吸收性能,形成超材料阵列形式,并加工制作了实物进行验证。实测结果表明,前向吸收率进一步增大到99.53%,正反向吸收隔离度增大到12.73 d B,仿真结果与测试结果基本相符。在此基础上,研究了该超材料阵列对不同介电常数的传感特性。测量结果同样表现出良好的灵敏度和高线性拟合度。该设计创新式地将非对称空间调制与电磁诱导吸收相结合以形成单向吸收,为新型非互易器件的设计提供了新的指导思路。4.提出了一款基于金属和介质混合干涉模式的激元诱导超材料。相较于传统电磁诱导透明超材料,该设计采用了金属局域等离子体激元谐振和介质Mie式谐振混合相消干涉,在THz频段实现了宽带PIT现象。该混合干涉模式可以为明暗模之间提供更大的Q值差,从而形成更高的透射率和更宽的透射窗口。研究结果表明,在0.61至0.76THz范围内获得了透射率大于0.9的宽频透明窗口,相对带宽达21.9%,且透射窗口矩形度良好。透射窗口内伴随着慢光效应,群时延和群折射率最大达528ps和2880。此外,介质谐振器的旋转对称的排布方式为该设计带来了极化不敏感特性。该设计有望解决传统慢光器件带宽不足的问题,在通信、光子学、传感等领域中具有重要的应用前景。5.提出了一款基于重力场和固态等离子体调控的多任务型可重构超材料。重力场作为一种全新概念的非接触式调节手段,可以完美地契合液态材料的流动性。该设计将液态合金封装在特殊设计的三维微流容器腔中,利用机械翻转的形式,对其位置和形状进行转移和重构,以形成不同形制的谐振结构。当该设计正向设置时,液态合金沉积在底部开槽型微流空腔中。此时,该超材料表现为电磁吸收状态,通过选择性激励顶层固态等离子体谐振单元,可实现两种不同带宽的吸收状态(State I和State II)。将该设计180°翻转后,液态合金通过两个微流腔通道流入中间层平面型微流空腔内,从而在中间层将电磁波的传播路径阻断,使得翻转至背面的固态等离子体谐振单元不参与谐振工作。此时,仅翻转至顶层的金属谐振单元与电磁波发生相互作用,从而实现宽带线-圆极化转换器的功能(State III)。该多任务型可重构超材料实现了基于多物理场调控的多功能多频率设计,具备宽带宽、高集成度、节省空间资源、操作简单等优势,在柔性电子、天线综合系统、集成芯片等领域有着众多潜在应用价值。

基于超材料的车载多功能天线设计

这是一篇关于多功能天线,超材料,5G,卫星导航,ETC,V2X的论文, 主要内容为随着车辆智能化程度的不断提高,面向智能化的车载移动通信系统越来越多,卫星导航系统、5G通信系统、ETC系统以及V2X系统等都是智能车辆中广泛应用的系统。各个系统对天线的方向特性、极化特性以及工作频带均有不同要求,而多天线系统占据空间大、成本又高,因此,研究具有方向图分集、极化分集、多频段工作的多功能集成低剖面天线的设计与实现方法具有很大的实际意义。本文对车载多功能集成天线进行了研究,并取得了以下成果:(1)提出了一种双周期圆弧形复合左右手传输线(Composite Right/Left Handed Transmission Line,CRLH TL)单元结构。与单周期CRLH TL结构相比,该结构可以提供更多的工作频带。基于该双周期CRLH TL结构,设计了一款多功能导航圆环天线。通过对馈电点的可重构设计,该天线可以接收北斗B1频段和GPS L1频段的导航信号,可以辐射/接收北斗L/S频段短报文信号。(2)提出并设计了一款应用于卫星导航和5G通信系统的多功能集成天线。首先,提出了一种双周期扇形-径向CRLH单元结构,基于该CRLH单元结构设计了一款5G全向天线。然后将该天线与多功能导航圆环天线集成,实现了可以覆盖3.5GHz/4.8GHz5G通信频段和GPS L1频带、北斗B1频带的多功能天线。在各个工作频带内,各输入端口电压反射系数模均小于-10dB,端口间隔离度大于20dB,各项技术指标均满足应用要求。(3)设计了一款应用于ETC和北斗导航系统的多功能集成天线。采用在方形贴片上开槽并加载终端短路旋臂的方法设计ETC圆极化天线单元,基于该天线单元设计应用于ETC系统的2×2圆极化天线阵,使用风车型四路馈电网络进行馈电,实现了在布局紧凑的基础上更有效集中波束的性能。将该天线与多功能导航圆环天线集成,实现了能覆盖5.8GHz ETC频段和北斗导航及短报文通信频带的功能。测试的ETC天线的最大增益达到11.2d Bic,3d B轴比带宽为9.6%;北斗天线在B1导航频段和L/S短报文通信频段均满足设计指标要求,且天线端口间隔离度均大于20d B。(4)提出并设计了一款应用于V2X和GPS导航系统的多功能集成天线。首先,提出了一种简单的超表面结构,采用该超表面结构设计了V2X天线。然后,采用微带线耦合馈电的方环形天线结构设计了GPS天线,采用附加耦合线结构的方法扩展了天线带宽,改善了天线的轴比性能。测试结果表明,GPS天线在L2频段具有右旋圆极化特性,最大增益为6.52d Bic;V2X天线在水平面具有全向辐射特性;端口间隔离度大于20dB。

基于超材料的电磁波损耗、传输及极化特性调制研究

这是一篇关于超材料,超宽带吸收,电磁诱导透明,非互易吸收,Anapole模式理论,多功能器件的论文, 主要内容为在21世纪初期,John Pendry爵士用一篇前瞻性的理论工作《Negative refraction makes a perfect lens》[1]掀起了超材料二十多年来经久不衰的研究热潮。超材料是指一种人工周期复合材料,其单元尺度远小于工作波长。通过对表面基本谐振单元进行有序结构设计,使其获得常规自然材料不具备的超常物理性质,如负折射、电磁隐身、波束控制、极化偏转等等,为人们自由调控电磁波的频率、振幅、相位、极化等多维电磁属性提供了全新的设计思维与理念,如何精确调控电磁波特性并使之按照人们的意愿实现不同的功能成为了当前各个领域学者争相研究的焦点。本文主要围绕电磁波的损耗、传输以及极化三大基本特性,设计了五款功能各异的超材料器件,分别实现了超宽带激元吸收、Anapole模式吸收及传感、非互易电磁诱导单向吸收、混合模式宽带电磁诱导透明、功能(电磁吸收和极化转换)及频率可重构超材料等特殊电磁响应。相关研究成果在电磁隐身以及通信等领域具有重要潜在应用价值。主要研究工作如下:1.采用螺旋垂直级联技术设计了一款超宽带超材料激元吸波器。该激元吸波器在三层特殊尺寸比例的介质体中以垂直拓扑堆叠的方式嵌入了多个不同尺寸比例的纳米金属螺旋,在189～3896 nm内实现了超宽带吸收,相对带宽达到了181%,可基本覆盖近紫外波段,可见光波段和近红外波段。超宽带吸收现象可归因于金属螺旋中的纵向局域表面等离子体激元模式耦合和介质空隙中的横向法布里-珀罗腔模式和间隙等离子体激元耦合。其中,部分金属螺旋的旋向采取间隔反向设置,形成极化相消干涉模式,从而进一步提升了吸收性能。该结构排布同样有助于实现大角度入射稳定性,在入射角为±70°范围内,TE模式吸收率基本保持在90%以上。与现有报道的宽带吸波器相比,该设计兼具更宽更高效的吸收频谱和更优秀的角度稳定性,在太阳能电池、电磁隐身、光伏器件等领域有着重要的应用价值。2.基于Anapole模式的近场局域增强和远场抵消的特性,提出了一款三维空间型Anapole模式超材料吸波器,在THz波段实现了约50%的单频吸收现象。为了进一步增强吸收效率,提出了一种吸收增强机制,通过增加不对称立式分裂环,引入额外的磁偶极子分量,形成多偶极子混合干涉模式。研究结果表明,吸收率可达到了98.51%,且远场辐射被大幅度抑制。此外,在近场电场局域中心,电场强度相较于入射波场强增大约200倍,该近场局域增强特性和高吸收峰为传感特性提供了实现平台。研究结果表明,该Anapole超材料吸波器对背景环境介电常数表现出了优良的传感性能,在介电常数1～1.5的测量范围内,传感灵敏度为341GHz/RIU,且线性度保持良好。该Anapole模式吸波器的设计思路以及吸收增强机制丰富了多偶极矩理论框架,为实现生物传感、非线性光学、电磁隐身等应用提供了实现平台。3.通过在传统电磁诱导吸收的明-暗-明模理论中引入不对称空间调制概念,设计了一款非互易电磁诱导单向吸收超材料单元结构。该空间调制可以等效为一个不对称单向波导通道,形成了明模-多暗模-明模的单向干涉机制。研究结果表明,前向入射状态下,在2.59GHz频率处实现87.87%的电磁诱导吸收峰;而在后向入射状态下,该吸收峰消失,形成了宽带电磁诱导反射,正反向吸收隔离度达10.79 d B。将该该超材料单元结构进行准周期排列以进一步增强吸收性能,形成超材料阵列形式,并加工制作了实物进行验证。实测结果表明,前向吸收率进一步增大到99.53%,正反向吸收隔离度增大到12.73 d B,仿真结果与测试结果基本相符。在此基础上,研究了该超材料阵列对不同介电常数的传感特性。测量结果同样表现出良好的灵敏度和高线性拟合度。该设计创新式地将非对称空间调制与电磁诱导吸收相结合以形成单向吸收,为新型非互易器件的设计提供了新的指导思路。4.提出了一款基于金属和介质混合干涉模式的激元诱导超材料。相较于传统电磁诱导透明超材料,该设计采用了金属局域等离子体激元谐振和介质Mie式谐振混合相消干涉,在THz频段实现了宽带PIT现象。该混合干涉模式可以为明暗模之间提供更大的Q值差,从而形成更高的透射率和更宽的透射窗口。研究结果表明,在0.61至0.76THz范围内获得了透射率大于0.9的宽频透明窗口,相对带宽达21.9%,且透射窗口矩形度良好。透射窗口内伴随着慢光效应,群时延和群折射率最大达528ps和2880。此外,介质谐振器的旋转对称的排布方式为该设计带来了极化不敏感特性。该设计有望解决传统慢光器件带宽不足的问题,在通信、光子学、传感等领域中具有重要的应用前景。5.提出了一款基于重力场和固态等离子体调控的多任务型可重构超材料。重力场作为一种全新概念的非接触式调节手段,可以完美地契合液态材料的流动性。该设计将液态合金封装在特殊设计的三维微流容器腔中,利用机械翻转的形式,对其位置和形状进行转移和重构,以形成不同形制的谐振结构。当该设计正向设置时,液态合金沉积在底部开槽型微流空腔中。此时,该超材料表现为电磁吸收状态,通过选择性激励顶层固态等离子体谐振单元,可实现两种不同带宽的吸收状态(State I和State II)。将该设计180°翻转后,液态合金通过两个微流腔通道流入中间层平面型微流空腔内,从而在中间层将电磁波的传播路径阻断,使得翻转至背面的固态等离子体谐振单元不参与谐振工作。此时,仅翻转至顶层的金属谐振单元与电磁波发生相互作用,从而实现宽带线-圆极化转换器的功能(State III)。该多任务型可重构超材料实现了基于多物理场调控的多功能多频率设计,具备宽带宽、高集成度、节省空间资源、操作简单等优势,在柔性电子、天线综合系统、集成芯片等领域有着众多潜在应用价值。

基于深度学习的超材料太赫兹吸收器设计方法研究

这是一篇关于超材料,太赫兹吸收器,深度学习,卷积神经网络的论文, 主要内容为超材料是具备自然界中材料所不具有的电磁特性的人工材料,超材料吸收器作为超材料应用的重要器件之一,因其对入射电磁波的高效吸收特性引起广泛关注与研究。随着深度学习的发展,超材料吸收器的设计可以引入深度学习从而实现智能化,解决传统设计方法的局限性和低效性。本论文对深度学习应用于太赫兹超材料吸收器的设计方法展开研究,主要工作包括:1、基于MIM结构的太赫兹多频吸收器,搭建一个深度为6层的全连接神经网络,构建期望目标频谱到谐振单元中6个结构参数的单向映射,训练后的网络模型可以在几毫秒输出设计参数,与原始结构参数的误差在0.01μm～0.1μm范围内,且逆向设计输出的参数通过仿真得到的吸收谱与输入目标谱具有很好的一致性。2、提出一种矩阵编码的方案表征吸收器的不同谐振单元构型,通过一个64*64维度的0/1矩阵分别编码表示十字形、工字形、“H”形、双开口环形、耶路撒冷十字形以及单开口环形六种不同类别的谐振图案,既弥补了结构参数化设计的局限性,实现了单一维度到谐振单元表面二维层次的扩展,又极大减少了直接用图像处理的数据量和系统复杂程度,且矩阵的维度可以根据实际设计精度需求进行灵活更改。同时基于卷积神经网络和全连接网络搭建了逆向SDCNN和正向SPCNN两个网络模型,构建出结构矩阵与吸收频谱之间的双向映射。逆向SDCNN网络输出结构矩阵所具备的吸收响应与输入的期望吸收响应基本一致,正向SPCNN网络能够在几毫秒预测出给定结构矩阵的吸收频谱,与仿真结果良好吻合,显著地提升了器件设计效率。3、将本文搭建的网络模型应用于多层掺杂硅介质纵向堆叠的宽带吸收器设计中,在0.6THz～4THz的工作频率内,可以实现2THz带宽范围高于90%的吸收。进一步优化矩阵编码化方案,在矩阵中引入介质高度这一变量,将谐振单元平面二维的编码方式扩展成三维,实现基于深度学习的立体结构吸收器设计,优化神经网络结构后,实现了全介质立体结构宽带吸收器的逆向设计以及吸收响应的正向预测。上述工作充分验证了本文所搭建网络模型的泛化能力和鲁棒性,可实现不同频谱特点和不同结构维度的电磁吸收器件设计,且有望拓展到其他超材料器件的设计以及对应的电磁响应频谱预测研究中。

基于深度学习的超材料太赫兹吸收器设计方法研究

这是一篇关于超材料,太赫兹吸收器,深度学习,卷积神经网络的论文, 主要内容为超材料是具备自然界中材料所不具有的电磁特性的人工材料,超材料吸收器作为超材料应用的重要器件之一,因其对入射电磁波的高效吸收特性引起广泛关注与研究。随着深度学习的发展,超材料吸收器的设计可以引入深度学习从而实现智能化,解决传统设计方法的局限性和低效性。本论文对深度学习应用于太赫兹超材料吸收器的设计方法展开研究,主要工作包括:1、基于MIM结构的太赫兹多频吸收器,搭建一个深度为6层的全连接神经网络,构建期望目标频谱到谐振单元中6个结构参数的单向映射,训练后的网络模型可以在几毫秒输出设计参数,与原始结构参数的误差在0.01μm～0.1μm范围内,且逆向设计输出的参数通过仿真得到的吸收谱与输入目标谱具有很好的一致性。2、提出一种矩阵编码的方案表征吸收器的不同谐振单元构型,通过一个64*64维度的0/1矩阵分别编码表示十字形、工字形、“H”形、双开口环形、耶路撒冷十字形以及单开口环形六种不同类别的谐振图案,既弥补了结构参数化设计的局限性,实现了单一维度到谐振单元表面二维层次的扩展,又极大减少了直接用图像处理的数据量和系统复杂程度,且矩阵的维度可以根据实际设计精度需求进行灵活更改。同时基于卷积神经网络和全连接网络搭建了逆向SDCNN和正向SPCNN两个网络模型,构建出结构矩阵与吸收频谱之间的双向映射。逆向SDCNN网络输出结构矩阵所具备的吸收响应与输入的期望吸收响应基本一致,正向SPCNN网络能够在几毫秒预测出给定结构矩阵的吸收频谱,与仿真结果良好吻合,显著地提升了器件设计效率。3、将本文搭建的网络模型应用于多层掺杂硅介质纵向堆叠的宽带吸收器设计中,在0.6THz～4THz的工作频率内,可以实现2THz带宽范围高于90%的吸收。进一步优化矩阵编码化方案,在矩阵中引入介质高度这一变量,将谐振单元平面二维的编码方式扩展成三维,实现基于深度学习的立体结构吸收器设计,优化神经网络结构后,实现了全介质立体结构宽带吸收器的逆向设计以及吸收响应的正向预测。上述工作充分验证了本文所搭建网络模型的泛化能力和鲁棒性,可实现不同频谱特点和不同结构维度的电磁吸收器件设计,且有望拓展到其他超材料器件的设计以及对应的电磁响应频谱预测研究中。

基于双频超材料的无线电能传输系统研究

这是一篇关于磁谐振,无线电能传输,超材料,双频,E类功率放大器的论文, 主要内容为无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)具有安全、可靠、便捷等诸多优点,近年来被大量应用于各种用电场合。其中,磁耦合谐振式WPT技术由于其传输距离远、效率高以及功率大等优点,成为了最具有发展潜力的WPT技术之一,但在实际应用中其传输性能会随传输距离的增大而降低。对收发端的磁场进行调控,使接收端得到更多的能量是一种解决方法,超材料作为一种具有倏逝波增强、负折射率的人工电磁材料能够改变收发端之间的磁场分布,增强WPT系统的传输性能。目前,WPT系统的收发端往往需要同步传输信号,因此双频及多频WPT系统具有很好的研究前景。针对现有的超材料仅适用于单频WPT系统,无法满足双频WPT系统的问题,本文设计出了具有双频特性的超材料,并实现了基于双频超材料的无线电能传输系统。主要工作和成果如下:首先,设计出了两种具有双频特性的超材料。第一种采用自谐振嵌套结构,通过线圈等效电感和电容来实现相应的工作频点,第二种采用外加补偿嵌套结构,通过外加补偿电容来实现相应的工作频点。嵌套式结构可以使得超材料具有双频特性,通过增加线圈嵌套数量可以得到具有多频特性的超材料,利用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的超材料进行参数优化和分析,利用MATLAB软件提取等效磁导率,验证了设计的正确性。其次,为了使WPT系统能同步传输信号,设计了一种基于PCB板的双频收发线圈,可以分别利用两个不同的谐振频段传输电能和信号。使用三维电磁仿真软件HFSS对所设计的双频WPT系统进行仿真和参数扫描,得到最佳特性,并搭建基于双频超材料的WPT系统,仿真结果证明了双频超材料可以同时增加WPT系统在两个工作频点处的效率。再者,设计一款高频E类功率放大器作为WPT系统的驱动源,利用ADS软件完成E类功率放大电路的设计和仿真,包括基本电路参数设计、高频MOS管选取、稳定性电路、偏置电路、阻抗匹配电路和滤波电路设计。为了保证实物性能,通过AD软件和ADS软件进行PCB版图联合仿真。利用单片机系统设计了具有信号放大和调制功能的信号发生器,以及相应的稳压电源电路。最后,实验验证了两种双频超材料可以同时增强WPT系统两个工作频点的传输效率,验证了E类功率放大器、信号发生器能够达到设计指标,搭建并测试了基于双频超材料的WPT系统,结果表明加入双频超材料能够增强WPT系统的传输能力。