太赫兹各向异性超材料极化调控器设计与实现

电磁波极化特性会影响无线通信系统的性能,随着电磁场与微波技术的广泛应用,为满足信息传输和信息获取需求,电磁波极化特性的自由调控变得非常重要,在无线通信和雷达目标识别技术领域,都是通过改变极化状态来实现极化自由调控,随着波长的变短,相比微波通信,太赫兹通信具备频谱资源更丰富、传输速率更高的优势,但传统结构的极化调控器因存在各种缺陷,在太赫兹频段中的应用具有一定的局限性。针对这个问题,利用各向异性超材料设计了一款可用于太赫兹频段的双功能极化调控器,首先采用坐标分解法分析了器件的双功能极化调控特性,分析结果表明所设计的调控器既可以实现线极化波调控,又可以实现圆极化波调控,具备双功能调控特点;然后采用表面电流法分析了调控器的极化转换机理,仿真结果表明调控器具有4个谐振点,超材料单元结构中发生的四阶电磁谐振叠加,使得调控器工作频带宽,且极化转化效率高,在0.45~1.152 THz的频带内效率可高达90%以上;最后还分析了器件的不同参数对器件性能的影响,提出了调控器性能的优化思路和调控器的实际使用条件。通过对结构参数的分析,发现结构参数的变化会影响调控器工作时的频带宽度和谐振点的分布位置,调控器性能与自身工作频带宽度存在互斥关系,工作频带变宽,调控器性能变差,工作频带变窄,调控器性能变好,在调控器的实际应用过程中,为获取满意的调控特性,要根据具体的调控要求对结构参数进行优化调整;通过对入射角和方位角的分析,发现调控器性能对入射角的变化非常敏感,并指出在使用调控器时,它的摆放位置方向要满足入射波在调控器中的投影与调控器边沿保持平行。与现有工作相比,所设计的调控器性能更高效,结构更简单,并且双功能特性使器件的使用更加便捷和多样化,该工作为太赫兹极化转化器的发展和应用提供了理论参考。

黄土介质微波加热机理及效果研究

针对土木工程领域软弱黄土地基热固结效果的问题,基于COMSOL Multiphysics分别建立了电阻式热传导、理想微波辐射、实际天线辐射的黄土加热模型,对加热速率和范围进行了仿真和分析,并探讨了不同微波频率对加热效果的影响。结果表明:微波加热效果优于电阻式热传导,而对于实际天线,由于热传导和微波加热两种机制共同作用,加热效果最佳。此外,通过对工作频率进行分析研究,得出微波加热效果随频率增大不断恶化的特性。在实际工程中,应用天线辐射对黄土地基进行热加固处理,可以提升加热效率,确保黄土地基稳定性。

基于数字高程模型的民航甚高频地空通信信号覆盖仿真

为解决起伏地形下民航甚高频(very high frequency,VHF)地空通信信号覆盖范围计算精度低、冗余度大、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据获取缺乏自动性及信号覆盖图可视性差等问题,采用最大遮蔽角截止法等进行仿真研究。首先,考虑计算覆盖范围存在误差,提出利用反距离加权(inverse distance weight,IDW)插值法提高地形辨识度并在计算覆盖范围时考虑大气损耗;其次,为解决DEM数据获取缺乏自动性,利用MATLAB编码自动提取;再次,考虑遮蔽角计算存在冗余,采用“最大遮蔽角截止法”降低计算量;最后,为使覆盖范围直观可视,绘制二维及三维的覆盖显示图。结果表明,这些方法使遮蔽角计算量相较改进前降低了约64.60%,信号覆盖精度相较改进前提高了约3.315%。改进的覆盖仿真程序可以为VHF地面通信台站选址及飞行航线规划提供有效支撑。

基于法兰同轴的材料电磁脉冲屏蔽效能测试改进方法

为合理评价材料对强电磁脉冲的屏蔽效能,分析了材料对电磁波的屏蔽机理,在此基础上,给出了一种基于法兰同轴的材料电磁脉冲屏蔽效能改进测试方法,实现了对测试波形、材料透射波形和材料反射波形的准确监测。利用该方法测试了厚度为80,100,200,300μm的某石墨烯材料的时域屏蔽效能,测试结果表明,反射波形以反射损耗为主,随材料厚度的增加透射脉冲波形前沿变缓,脉宽变宽,呈现出低通滤波特性。基于测试波形,进一步计算了材料的时域峰值和能量表征的屏蔽效能,计算结果表明,变化规律与平面型材料屏蔽效能理论模型的变化规律相吻合。该方法不仅可以直观评价材料的时域电磁脉冲屏蔽效能,而且能够准确变换得到材料的频域屏蔽效能曲线,并可以得到材料的时域反射损耗等细节信息,具有较好的普适性。

基于改进SBR的舰船SAR成像快速仿真计算方法

针对SAR(Synthetic Aperture Radar)舰船成像仿真应用中电磁散射特性计算效率低下的问题,在现有SBR(Shooting and Bouncing Rays)算法的基础上,本文提出两方面改进.一是基于叶节点空间邻域编码搜索的射线管相交面元检测算法,通过只追踪射线管中心射线并搜索叶节点空间周围潜在相交面元,在有效提升相交检测速度的同时避免遗漏相交面元;二是射线管三角剖分快速分裂算法,将射线管和相交面元投影至射线管虚拟孔径面,利用Delaunay三角剖分算法自适应地将射线管快速分裂成连续的子射线管.对典型舰船目标进行RCS(Radar Cross Section)计算及SAR成像仿真实验,结果表明,在保证计算精度的前提下,本文方法计算效率比Kd树(K-dimension tree)加速SBR方法提升14倍以上,比经典自适应射线管分裂SBR方法提升3倍以上,计算效率显著提高.

基于小波散射网络的聚乙烯管道热熔接头缺陷太赫兹识别

采用频率范围为0.25~2.5 THz的反射式脉冲太赫兹时域光谱系统,对聚乙烯管道热熔接头缺陷进行了无损检测。利用PE100板材之间的热熔焊接模拟实际聚乙烯管道的热熔焊接,分别制作了标准热熔焊接和冷焊、过焊、未熔合和夹杂热熔缺陷接头样件。通过太赫兹系统逐点扫描,并对接头位置进行了波形及峰度成像分析。其中未熔合和夹杂热熔缺陷样件与标准焊接样件在波形上有明显差别;冷焊、过焊、未熔合及夹杂热熔缺陷在峰度成像图中可见明显缺陷轮廓。针对标准焊接和夹杂、未熔合热熔缺陷构建第一类小波散射网络-卷积神经网络缺陷识别模型进行缺陷定性分析,其缺陷识别率均可达到98%以上。针对标准焊接和夹杂金属、粗沙、树枝缺陷构建第二类缺陷识别模型进行定量识别,其缺陷识别相对误差均在7.42%以下。

太赫兹时域光谱无损检测玻纤复合材料的干涉现象研究

玻璃纤维增强复合材料作为新型的先进复合材料,具有质量轻、耐高温、耐冲击等特有的优点被广泛地应用在航空军工等领域。然而,在其生产过程中由于制作工艺的影响,使其内部容易产生分层和夹杂等微小缺陷;另一方面,此类复合材料在其生命周期内,由于外界因素如冲击力、高温等干扰,使得材料表面和内部发生灼痕和脱粘等缺陷。缺陷的存在使得作为结构件的玻璃纤维增强复合材料的安全系数降低,因此有必要对材料内部的缺陷进行检测。太赫兹时域光谱技术得益于太赫兹波段的独有优势,作为传统无损检测方式的有效补充,以其瞬态性、低能性以及指纹谱性近年来被广泛地应用在复合材料无损检测领域,可以有效地对缺陷进行无损检测。通过检测结果对玻璃纤维增强复合材料的性能进行评估,然而利用太赫兹时域光谱技术对缺陷检测分析时,发现对缺陷进行层析成像过程有一些随时间扩散的条纹,条纹的存在掩盖了缺陷的形状,对缺陷的清晰识别产生影响,进一步导致对缺陷的漏判和误判。现阶段,对于缺陷层析成像时条纹出现的原因在理论上的分析鲜有研究,该研究提出了应用时域有限差分技术建模分析太赫兹波与玻璃纤维增强复合材料的相互作用机理。建立在0.2~1.5 THz频段范围内的反射式数值模型,通过数值模拟实现了对玻璃纤维增强复合材料内部1、3以及5 mm深度处的缺陷成像,并且发现,当太赫兹波垂直入射到玻璃纤维复合材料表面时,每一深度处的缺陷均可清晰成像,当太赫兹波以1°倾斜角入射到玻璃纤维增强复合材料表面以及玻璃纤维增强复合材料上下表面存在2°倾斜时,材料内部每一深度处的缺陷成像中均出现了交替变化的条纹,验证了出现条纹的原因是由干涉现象引起的。

大角度的多波段可调谐超材料吸波器

提出了一种可用于微波段的可调超材料吸波器设计.该超材料吸波器由两个长度成一定比例的闭口金属环和一个十字形谐振器组成,在5~12 GHz频率范围内具有三个独立可调的工作频段(C和X波段),分别为6.36 GHz、7.96 GHz、10.12 GHz,吸收率分别为0.937、0.999和0.993.在大角度入射时,该吸波器可保持较高的吸收效率.此外研究了设计结构的可调谐性,当顶层的二氧化钒(VO2)处于全金属状态时,微波段有三个吸收峰,吸收率最高值分别为0.939、0.827、0.92.由于VO2的电导率从30000 S/m到200000 S/m变化,吸收率在三个吸收峰上实现了动态可调.该研究结果在多波段传感检测中有潜在的应用前景.

一种角度与极化稳定的可调控电磁散射结构的设计与验证

通过调控成像雷达散射波的幅度、相位达到隐身伪装目的,是电子对抗领域发展的新方向.本文提出一种S波段角度与极化稳定的可调控电磁散射结构(electromagnetic scattering structure,ESS),该结构正面为加载变容二极管的金属网栅及方形金属贴片,背面为过孔连接的馈电网栅.利用二极管电容加载、等效电感加强、背面馈电电感等设计,实现了ESS的宽带小型化,其单元尺寸为λ0/10.通过改变外置调控电压,可实现1.98~3.91 GHz的连续调控,相对调控范围为69.5%.其中,在2.27~3.83 GHz反射波幅度调控深度大于15 dB,相位变化最大为269°.此外,整体性能在±60°入射、TE/TM极化下保持稳定,在雷达成像干扰领域具有良好应用前景.

NiFe_(2-x)M_(x)O_(4)(M=Ce,Sm,Gd)的制备及其膜的微波吸收性能

用水热法和煅烧技术制备了NiFe_(2-x)M_(x)O_(4)(M=Ce,Sm,Gd,x=0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10)系列尖晶石型铁氧体。用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)和矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)等表征和测试了铁氧体粉末的结构、形貌及电磁性能。结果表明,膜与材料的微波吸收机理不同,膜的微波吸收理论基础是电磁波理论而不是阻抗匹配理论;膜可以使材料超量吸收微波,该性质可望拓展微波吸收膜的其他应用。

超材料介电结构在天线罩设计中的应用研究

本文研究了超材料介质板中波的传输特性,给出了由超材料和普通介质板组成多层结构的全反射系数和透射系数表达式,推导了小反射近似公式并讨论了其有效性,提出应用超材料介电结构可有效提高电磁传输性能,这对于天线罩设计非常有利。

柱坐标系下亥姆霍兹方程解的分类及典型应用

亥姆霍兹方程是一类用以表征电磁波传播规律的椭圆偏微分方程.对于圆柱坐标系下亥姆霍兹方程的求解问题,大部分教材都使用了分离变量的方法,但是多数内容并没有对分离变量结果做详细的分类和讨论,也没有结合其实际应用加以解释,使得初学者难以理解和掌握.本文对亥姆霍兹方程在柱坐标系下采用了分离变量法进行求解,系统讨论了其解的形式,并通过数值计算和电磁仿真分析了各类解的形式所对应的典型的电磁应用,对电磁场理论教学与研究具有一定的参考意义.

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分(ADE-FDTD)方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。

多站多路径GPS信号研究低纬电离层不均匀体

发展了GPS信号的多站多路径监测方法,对我国低纬地区电离层不均匀体特性进行了研究。多站观测统计分析表明,尽管太阳活动已下降到中等程度,但电离层闪烁现象在位于赤道异常区的海口、广州等低纬地区仍经常发生,尤其在二分季前后闪烁发生率明显增大,且闪烁强度较大;通过GPS信号的多站多路径监测还发现,电离层不均匀体在东经105°～120°间,北纬27°以南区域出现频繁,而且在北纬23°以北区域的不均匀体易衰减并首先消失,在北纬20°～23°间区域内则会持续较长时间;进一步分析其闪烁功率谱,计算出了不均匀体的东向平均漂移速度。

等离子体鞘层中电磁传输特性的数值仿真和实验验证

采用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)数值模拟方法,研究了电磁波在非均匀等离子体中的传输特性。在此基础上,对L波段(1.575GHz)电磁波,在等离子峰值密度为1011/cm3且沿径向呈Bessel函数分布的柱形等离子体源下,进行了2,4,6,8,10cm厚度下的传输特性实验,得到电磁波衰减分别为9,15.8,24.9,36.4,45.5dB,并与仿真结果对比,吻合良好。

沙尘暴对地空路径上Ka频段电波传播的影响

通过分析陆地上毫米波在沙尘暴中传播时的衰减和交叉极化分辨率 ,给出了一定高度毫米波传播的衰减和交叉极化分辨率的计算公式 ,并提出了一种计算地空路径沙尘暴衰减和交叉极化分辨率的等效模型。在不同的地球站点、不同的能见度、不同的沙尘粒子含水量、不同的粒径分布下进行了数值计算 。

各向异性材料散射的FDTD分析

从时域有限差分法基本的原理出发 ,利用矩阵运算的特点 ,推导出了电各向异性、磁各向异性以及导电率各向异性的材料中的FDTD方程。验证了算法 ,并计算了各种单轴和双轴各向异性材料的雷达散射截面RCS ,讨论了各向异性材料的散射特性。

低损耗高双折射太赫兹Topas光子带隙光纤

以太赫兹低损耗聚合物材料Topas环烯烃共聚物为基材,设计了一种带隙型光子晶体光纤.光纤由三角形排列的圆角正六边形空气孔构成包层,缺失四个近邻空气孔构成近菱形的二重对称空气芯.采用有限元法分析了该光纤在太赫兹波段的传输特性.结果表明：在1.5THz附近约0.3THz的宽频范围内存在光子带隙,光纤可以基于光子带隙效应将太赫兹波束缚在空气芯中传输.在1.4~1.6THz范围内具有10-3数量级的高双折射;x偏振基模和y偏振基模的损耗都小于0.1cm-1,分别在1.53THz和1.5THz处达到最小值0.029 1cm-1和0.028 7cm-1.所设计的太赫兹Topas光子带隙光纤具备结构简单、易制备、直径小而易弯曲的特点.

基于太赫兹目标散射特性测试系统的设计与应用

搭建了以卧式自动旋转台、立式自动旋转台、龙门架、运动控制器等组成的太赫兹波目标散射特性测试系统,实现了收发分置与收发同置的低频太赫兹波在粗糙铝表面的散射实验测试工作,表明:在收发分置时金属粗糙铝表面散射范围较大,散射角小于30°时散射曲线下降较快,超过30°时散射曲线变化变得缓慢,且在45°附近出现了一个小的散射峰,在收发同置时金属粗糙铝表面散射信号随散射角度变化明显,当散射角达到10°时,散射信号几乎衰减为0,对于同一入射波源,粗、细铝板散射效果显现出不同的现象,其中在细铝板散射曲线中出现信号强度明显的振荡现象。

分形粗糙面单站散射的遮蔽效应研究

利用粗糙面电磁散射中的基尔霍夫近似,结合粗糙面遮蔽效应和分形粗糙面特征函数的计算,导出了考虑遮蔽效应情况下导体分形粗糙面单站散射截面近似公式.比较了高斯粗糙面和分形粗糙面的散射截面分布情况,分析了粗糙面不同均方根斜率对遮蔽效应的影响.研究了不同分维和不同空间基频情况下分形粗糙面后向散射截面的角分布情况.