网站地图 加入收藏 设为首页 原创论文网,覆盖经济,法律,医学,建筑,艺术等800余专业,提供60万篇论文资料免费参考

电磁学论文写作范例

作者:原创论文网 时间:2017-11-14 11:53 加入收藏
  电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有着紧密关系,广义的电磁学可以说是包含电学和磁学;但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波,电磁场以及有关电荷,带电物体的动力学等。我们在这里整理了一篇电磁学论文,希望给你带来灵感和启发。
  
  题目:超材料在可重构电磁学中的应用与发展
  
  [摘要]介绍了超材料在微波(0.3~300GHz)、太赫兹(0.3~100THz)和近红外频段(100~790THz)中的可重构电磁学的调控方法和研究现状,并依照功能分类,对在可重构电磁学方面的应用分别做了综合性归纳描述,最后对其在可重构电磁学方向的未来可能的发展趋势做了进一步的展望。
  
  [关键词]超材料;可重构;发展趋势
  
  超材料(Metamaterial)是可用于工程的但自然界不存在的一种材料,又叫“异向介质”“超电磁介质”或“特异电磁介质”,主要由复合材料以一定的方式重复排列形成,尺度上比涉及的波长更小。超材料的特性不是来自基本材料的特性,而是他们新设计的结构。通过外形、尺寸和排列方式等的精确设计能给超材料操纵电磁波的超级特性,通过吸收、增强、或波形弯曲,可以获得传统材料所不具备的益处。
  
  恰当设计的超材料可以以一定的方式影响电磁辐射波或声波,这在一般材料中是做不到的。
  
  超材料的出现迄今为止已有几十年,尤其是对于特定的波长有负折射率,这一现象引起工业界和学术界的广泛兴趣,超材料相关科学研究成果已有3次被《科学》杂志评选为年度十大科技突破。超材料介质具有从负到正的折射率,其中包括零折射率。并以其低成本、可满足多种的成本、尺寸和性能的需要,目前已使用在透镜、天线、天线罩和频率选择性表面等设计中。特别是在引入自然界不存在的场操控特性的工程材料之后,应用更趋广泛。最初,具有奇异电磁特性的超材料主要通过有序的亚波长谐振器实现,这使新型电磁器件的制造成为可能,包括高增益小天线、完美透镜、小型滤波器以及功率分配器、隐身斗篷、吸收器、波操纵表面和小型极化器。
  
  随着技术的发展以及系统需求的不断提高,对系统的要求越来越高。不仅要求系统具有稳定的传输性能,而且要求系统能在多频率段工作,有多种工作模式,同时,又能满足体积质量较小、制造成本较低的目标要求。基于这样的要求,20世纪80年代初提出了可重构系统的概念。可重构系统可以使一个系统工作在多种期望的模式下,能做到随时切换状态,可以看出,一个可重构的系统就可以完成以前多个系统设备才能实现的多模式工作,这就有效地实现了系统的有效分集。国内主要对可重构天线做了一定的研究,这方面王秉中做了早期的许多研究工作,并取得了一定的成果。当超材料出现之后,其良好的性能表现引起了可重构方向研究者的兴趣,并已有诸多的成果发表。但国内在可重构超材料方面的研究非常少,仅有可数的几个跟随性的工作。
  
  可调可重构超材料定义为通过自身构成部分的物理或几何性质的变化来影响设备的运行部分,进而改变超材料的电磁行为。基于超材料的结构实现已有好几种调控机制,例如微机械设备、非线性材料、液晶、微流体和多种半导体结构。目前,已应用在不同种类的无线、有线通信上,可工作在微波、太赫兹、中红外、近红外和可见光波段。同时,超材料结构是减少静态超材料重要缺陷的合适方式。事实上,为实现设计超材料的电磁可重构特性,直接方式是在亚波长尺度引入可调器件,这就要牺牲静态结构制造简易性。这一构想在简易射频设备上最先得到证实,后扩展到其他应用领域和频率范围。
  
  在商业设备制造上,可重构超材料的研究发展存在着严峻的理论、技术挑战,表现在灵活性、工作频带、效率、实现的复杂性、稳健性、调控速度及价格等问题上。事实上,若要为一个超材料结构提供可重构性,就必须引入额外器件或材料,这会影响系统效率、重量和功耗,为此,就需要无线自组网(ADhoc)控制逻辑。可重构超材料工程目前是一个非常活跃的研究领域,一直在不断发展出新的技术。
  
  在超材料设备的设计中,可重构性选择的物理机制是非常重要的,物理机制影响到最终的性能、成本、制造复杂程度、尺度大小和结构灵活性。早期,许多可重构超材料是建立在普遍建立的模块基础之上,例如,开环谐振器(splitringresonators,SRRs)和互补开环谐振器(complementarysplit-ringresonator,CSRR)。
  
  它们的特性参数适于压控电容或电阻来调整。近年来,在可重构系统的设计过程中已全部利用ADhoc来设计。例如,优化的可调超表面,以及他们的可控子单元。若要取得可重构性,就需要考虑一些不同的物理因素,比如,可调的模块单元、微机械设备、可控液晶(通过热、光和电旁路)、石墨烯和液态金属等。
  
  1可重构调控方法
  
  可重构的实现方法选择主要取决于目标的工作频率,因此可按频率将可重构调控方法做一区分:微波(0.3~300GHz)、太赫兹(0.3~100THz)和近红外频段(100~790THz)。
  
  1.1微波频段
  
  最早开发的可重构超材料主要在微波频段,这是因为器件的制造和测试比高频段的来得简单,在有线和无线超材料系统有广泛的适用性。这使得早期的设计者都以静态微波超材料作为制备相应可重构器件的出发点,而在结构上通过集成成熟技术增强其灵活性。微波频段的实现方法主要有:
  
  可变电容、可变电阻及开关、微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems,MEMS)、机械重构、微流体与液晶等。
  
  可变电容方法是通过在结构单元中引入电容值可以调整的可变电容来实现可重构的,因为电容值的改变可导致频率改变,这样在不同的频率点就实现了可重构。方法简单、成本低廉且易集成,是实现可重构超材料最常用的方法。王东兴在阶梯状超材料单元引入可变电容来调节谐振频率,H形单元组成的可变电容来实现3D超材料可重构,可调工作频率范围9.5~10GHz.江涛利用可变电容用来调节固定频率上的传播特性,并通过在每层排列的单元上集成一个可变电容构成控制波束的超材料。
  
  这种结构的实验测定的频率在4.9GHz,共由8层构成,每1层有14×36个单元。
  
  可变电容方法存在一些固有缺点,例如,J.P.Turpin就证实串联RF电阻可导致功率损耗和并联阻抗可引起在高频段的性能恶化。而且,单元集成对于直流信号分布网络的设计显得过于复杂。由于有大量的控制节点,尤其在3D结构上,在材料上的每个可变电容应用旁路信号来组建网络具有极大难度。故此,可变电容方式难以施用于大型系统。
  
  在许多文献中超材料结构主要考虑使用集总器件单元(例如,RF开关、可变电阻器)来实现,在研究方法上,借鉴可变电容的原理通过电流调整以及功耗改变来达到可重构目的。J.Choi等人提出一种交叉极化的SRR实现双负特性的方法,每4个开关组成一个SRR单元,把内置开关的SRR插入到一个微带结构中,最终可以实现在5~10GHz频率范围带通响应的数字控制。而J.Soricet等人在天线结构覆盖的集成可变电阻的超材料器件上实现了吸收效率可调节。
  
  MEMS方式主要是利用高速度的RF开关实现可重构超材料。N.J.Smith等人在MEMS中通过电路的通/断来达到超材料单元重构或超材料器件的隔离部份。尽管MEMS以高幅度电容调制器的方式实际工作在微波频段,但由于电容变化足够大以至于能近似看作理想开关。另一个方面,MEMS的实现常常需要很高的旁路电压(70~150V),这在标准控制系统里一般难以实现。由于生产过程的原因,截止状态下不同设备间的MEMS响应表现出较大变化。加之嵌入集总元件设计的制造及集成的成本问题,使得MEMS技术的推广受到局限。
  
  奇异电磁场控制是超材料本身的几何形状以及与电磁入射波的相互作用的共同结果,因此,改变超材料结构的形状不失为实现可重构特性的一种直接方式。东南大学崔铁军研究团队的林先其出基于移动单元的机械可重构超材料的实现方法,即是通过一个位于电介质单元内部的可调高度的细金属棒来调节超材料片的有效介质参数,调节范围4.0~5.5GHz.J.Naqui利用微带线机械形变的方法来实现可重构,这种方法主要是往超材料谐振器埋入微带线,微带线的机械形变可调的频带处于2.0~3.0GHz,实验表明,机械调节有较好的控制能力,尽管其仅适用于可重构速度相对低的情况。所以,机械可重构在传感器及探测器应用上仍有一定的吸引力。
  
  微流体的方法是利用在超材料结构中注入微流体来实现对场的操控,代表性例子是T.S.Kasi-riga提出的方法,由弹性材料制成的空心微机械材料SRR,谐振器的打开/关闭通过注入水银来控制。
  
  在这种结构中,打开/关闭谐振器完全利用物理上删除超材料谐振器来实现,这避免了常在其他开关机理的方法中出现的错误谐振。类似的,C.L.Hollowa给出了一组流体控制的超表面,超表面是由3×6方形网格超薄膜阵列构成,附着有聚合物流体去离子水的注入/删除管道,这种方法实现了3.6~3.8GHz频率可调范围。
  
  一般的液晶常工作在高频情况下,向列相液晶却可用于可重构超材料的微波频段。这种类流体材料由柱状分子组成,它的取向由电磁偏置电压、光激励及热渐变决定。利用这些机制,各向异性液晶的电介质特性可以在较大频率范围调节,实现可重构。在要求用复杂控制网络实现可重构材料的时候,向列相的液晶是最佳选择。赵倩提出由一个润周期性SRR阵列的向列相液晶构成一个电类可重构超材料的方法,其调节性能决定于电场偏置,频率范围在200MHz左右。
  
  1.2太赫兹和中红外频段
  
  由于成本、生产复杂性等因素,微波频段的方法仅有很少的几种才能在较大的频率范围应用。因此,研究重心开始转移到寻求太赫兹和中红外频段的可行方法,太赫兹和中红外频段可重构超材料的设计最近已经成为一个非常流行的研究方向,主要应用在安全、图像和通信领域。液晶、非线性材料、石墨烯和弹性材料是较有代表性的方法。
  
  液晶的宽带行为表明在太赫兹和近红外频段液晶的调控方法是可行的。
  
  J.A.Bossard采用在向列相液晶的基板上涂覆一层介电球,得到了负、零、正折射率。由于相对介电常数εr在2~4的范围变化,在3.4~4.0THz频段介电球就可以实现从负到正的有效介电常数εe随机分布值。这个结果表明,性能表现相比与微波频段,液晶更适宜用在THz频段。由于速度、制造相对简单以及成本上的考量,在THz频段,液晶的控制方法是很有前景的发展方向。
  
  非线性材料方式是基于某些材料在THz频段具有较强的非线性响应。基本原理是:
  
  在超材料的布线中使用非线性介质,介质的电磁响应由通道信号(激光束、渐变的温度等)间接控制。M.D.Gold-flam提出VO2是一种可行的技术方案。装有SRR单元的VO2构成的块状超材料在0.8~2.4THz频段表现出一种指数的渐变,这归因于VO2滞后特性造成的单过渡电脉冲。
  
  石墨烯是由碳原子杂化在蜂巢晶格上形成的一层单原子厚度的薄膜。近来,在THz及近红外频段的可重构超材料中使用广泛,其具有奇异的机械、化学、电气特性,也可以作为THz及可见光频段的二维各向异性导体。石墨烯在可重构超材料中的主要作用是充当最小化控制导体,导体可以提供静态超材料的可调功能。
  
  B.Vasic研究了填充石墨烯的不同形状SRR去调制场的幅度和相位。局部可以调节的石墨烯也可以用在可重构超材料亚波长的超级透镜上。通过调制石墨烯的电导率使得表面波分化,这种结构已经用在10~30THz的完美透镜上。ArezoomandanS提出并讨论了一种基于石墨烯的高增益可重构超材料,核心部件是周期性奇异金属环谐振器,带有数字指纹,将其放入环之间提供了一个大高Q值,可以极为容易的通过一组参数的变化调整超材料的频率响应,这些调整参数可以是环的维数以及指纹数目等,也可以是石墨烯的电导率。
  
  最近,I.E.Khodasevych和JinqiWang利用弹性材料对新型超材料提供可重构性。弹性材料的灵活性给予超材料可重构特性的设计极大的自由,通过弹性材料的变形或微流体注入来实现可重构性调节。
  
  I.E.Khodasevych设计了一个工作在1.5~2.5THz的渔网超材料,通过应用微流体来实现可重构性,并做了实验验证。
  
  1.3近红外和可见光频段
  
  在近红外和可见光频段,电磁波与物质间的相互作用跟微波频段是完全不同的,在低频段的有效方法在近红外、可见光频段就不一定适用。但前面提到的液晶、非线性材料、可控的流体材料仍然可以沿用。
  
  众所周知,液晶的介电常数是可调控的。D.H.Werner研究了近红外超材料的液晶材料的折射率从负到正的变化。向列相液晶基放入静态负指数材料以调控折射率在[-1,1.8]范围的变化,验证了运行在50~75THz和170~250THz频段的两个不同排布的情况。应用同样的技术,已经实现了有负磁导率的热可调光超材料。金属纳米微带线覆盖在向列相液晶以获得一个工作在可见光范围的频率可调的磁谐振器。最近,A.B.Golovin提出一种新技术,用作可重构的非线性材料一般是纳米棒的胶体分散体,方式是在电极上加上偏置电压从而使纳米棒的胶体分散体实现谐振器的功能。导电棒是校准过的,因此可以用来控制谐振器的空间分布和方位,进而取得超材料所具有的折射率、吸收率以及光各向异性的变化。在文献中证实的频段范围是460~700THz.
  
  在可见光区域,可控流体材料的方式主要是用不同折射率的流体去控制超材料周期纳米阵散射光的相对相位,实现可见光区域的波束操控。目前的实验结果证实利用流体折射率的调节波束操控在25度角范围。
  
  2应用可重构
  
  超材料可以用来操控电磁场,这使得其在远程感知等领域极具吸引力。根据功能,可将其应用大致分为4类。
  
  2.1调控2D/3D块材料
  
  利用调控效应的超材料代替传统电介质以及静态超材料,主要用在反射/传输屏幕、天线罩、透镜、频率选择表面、斗篷和吸收器。可重构超材料一个最广泛的应用是超屏幕,超材料是二维/三维结构,其传输线/反射特性适合于调节。广泛应用的原因是其独特的散射特性。事实上,传输线/反射/吸收特性给设计者设计动态控制器件提供了极大的自由度。二维和三维可重构超材料可以直接应用在天线罩和透镜的设计上,为的是可以灵活控制天线罩/透镜的焦点和波束方向的能力,这在一般材料是难以实现的。在过去几十年,频率选择性表明已经广泛存在于可调节的滤波器、极化器和发射阵列。隐身斗篷是一个超材料最广为人知的应用。利用负折射率超材料的相位补偿特性,可以实现任意介电常数的完美隐身斗篷。当然,可重构超材料的使用扩展了隐身斗篷的概念,也开辟了雷达交界面的新研究领域。可重构超材料也广泛应用到可调节吸收器,吸收器主要作用是接受和分散入射场而非操纵物体周围波的传播。
  
  2.2天线和阵列
  
  在单个辐射系统,通过调节超材料实现天线和阵列的多功能,例如谐振频率可变、波束指向以及方向图形状的可重构等,将此作为自适应天线的基本逻辑模块。对于频率可变、波束指向和方向图形状可重构已经提出了不同结果的解决方法。频率的可变可以通过改变窄带辐射器的输入阻抗来实现,这种方法的成功之处在于可以将天线尺寸小型化,并且支持不同的无线设备。特别是在移动通信设备当中,天线必须要满足尺寸的限制约束。方向图的可重构主要是通过开关来得到不同方向图。在电磁可调设备当中,利用可重构超材料来进行快速有效的开关和调制器的设计也是一个重要的问题,特别是在THz和可见光频率上。由于入射波可以通过一些特别方式来操控,因此入射信号的幅度可以通过可重构超材料来调节或开关。最近,Samaneh.H提出了一种可重构超材料的超宽带单极子天线,可以实现双频工作,覆盖的频率范围是3.1~10.6GHz,可重构的窄带L频段1.27GHz.其利用SRR缝隙单元得到左手电容,4个相连的T形带状层用作左手电导,实现的效率大于70%.基于电磁带隙的可重构超材料,制作天线,两个一致单元实现多频带重构,这种天线在蓝牙、LTE和认知无线电应用当中都极具潜力。值得一提的是,利用可重构超材料到可穿戴天线上也是一个很有潜力的应用方向。
  
  SenYan提出了基于超材料结构的方向图可重构可穿戴的天线,通过可重构传输线的分布曲线,贴片天线能在0阶或1阶模式谐振,各自对应宽边或全向性方向图。
  
  2.3导波设备
  
  许多文献报道了应用可重构超材料做导波设备,例如,在滤波器、相移器、可调功率分配器、开关和调制器中。可重构超材料设计可重构效应的滤波器,不论是在微波通信系统中,还是在光传感器和探测器中,证明都是低成本、小型化的最佳选择。而且,左右手传输线理论的引入给设计者提供了分析、设计和验证新型超材料导波设备的一个简单且强有力工具。超材料的滤波器主要是实现频率可重构。相移器是许多微波射中的核心可重构器件,例如,相控阵天线和自适应反馈网络,超材料的应用可以将相移器小型化。
  
  2.4传感器和探测器
  
  可重构超材料应用到感知探测设备是最近出现的一个新领域。迄今为止,仅有少数几个传感器得到实验证实,但在基本规律的研究方面已得到许多有用的结果。值得注意的是,可重构超材料通常并不是控制设备的行为,而是用其作为从一些物理量的变化中诱导出的超材料特性效应。
  
  3发展趋势
  
  可重构超材料在应用方面的潜力已经引起了学术界、工业界的注意,在电磁领域的应用研究也是最活跃的领域之一。尽管可重构性没有特别的方法,但业已存在一些已经巩固的方法。另外,随着材料科学的发展也可以进一步改善目前方法的性能。
  
  尽管出版的论文数量较少,机械/热/化学等的可重构性在感知探测超材料的应用上仍然在某种程度上有极大潜力。调控机制的研究更可能通过跨学科方法来研究。从应用的观点来看,利用可重构超材料设计频率系统是一个值得深入研究的方向。
  
  关于实现可重构特性的成熟方法,主要可以分为产品层面、实验室层面以及概念层面技术三大类。
  
  产品层面的许多技术已经可以在文献看到,例如可变电容、开关、可变电阻、MEMS以及液晶。这里边的许多方法已经在一些工业设备上得到实际应用,技术亦相当成熟。实验室层面的技术是已经被实验室证实,但在商业上并未广泛应用的技术方法,因而,这些方法的研究和应用更具挑战性。石墨烯、热敏感以及非线性材料等新型可调节材料,目前主要依然处在验证阶段,要应用到实际则需要更待进一步深入研究。
  
  未来的发展方向和挑战,主要的焦点集中在三个方面:三维调控、超材料带宽及感知材料。
  
  全面调控特性的获得必然涉及对超材料的每个器件单元要达到直接控制,目前在许多设备是一个不可忽略的问题,例如隐身斗篷、透镜和天线罩,都需要对他们各自的电磁特性实现3D全方位控制进而取得令人满意的性能。因此,在未来希望有一种技术能实现不同区域独立可调单元不仅能控制有限的少数几个模块而且能取得更多数量的区域模块控制。
  
  现在的可重构超材料利用的大多是频带较窄的可调谐振器,然而,目前的通信、遥感和安全领域对宽带的需求愈加迫切。在提高带宽方面已经提出了一些方法,已证实是非常有效的。不过,具体的原理细节还需要更进一步的深入研究。
  
  目前的研究主要针对可重构超材料器件的设计,而非它们的控制和实时应用。由于系统的固有灵活特性以及在亚波长尺度的可重构性,在部分超材料设计方面寄希望寻求控制程序的联合方法。因此,智能或感知超材料的研究是今后发展的一个长期方向。
 
  [参考文献]
 
  [1]BROWN J,JACKSON W. The properties of artificial dielectrics at centimetre wavelengths[J]. Radio and Electronic Engi-neering,2010,102(1) :11-16.
  [2]MARTINI E,SARDI G M,MACI S. Homogenization Processes and Retrieval of Equivalent Constitutive Parameters for Mul-tisurface-Metamaterials[J]. IEEE Transactions on Antennas &Propagation,2014,62(4):2081-2092.
  [3]SIHVOLA A. Electromagnetic Mixing Formulas and Applications[C]. Institution of Electrical Engineers,1999:36-37.
  [4]PENDRY J B,HOLDEN A J,ROBBINS D J,et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques,1999,47(11):2075-2084.
  [5]SHELBY R A,SMITH D R,SCHULTZ S. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science,2001,292(5514):77-79.

上一篇:电力系统自动化论文范文参考
下一篇:汽车安全论文范例写作参考
重要提示:转载本站信息须注明来源:原创论文网,具体权责及声明请参阅网站声明。
阅读提示:请自行判断信息的真实性及观点的正误,本站概不负责。
别人都分享了,你还在等什么?赶快分享吧!
更多
电磁学论文写作范例相关文章
快速导航: