为了在THz波段获得TE波下的可调谐吸收频谱, 采用全波仿真的方法, 设计了一款基于二氧化钒材料的可调谐THz吸波器, 对该吸波器的吸收频谱、电场图、表面电流图以及能量损耗图进行分析, 并讨论了结构参量h4,k以及入射角度θ对吸收频域和吸收带宽的影响。结果表明, 通过外部温控的方式改变二氧化钒谐振单元的物理特性可以获得可调谐的吸收频谱并改善吸波器的吸收性能, 该吸波器在温度T≥68℃时, 可以实现在2.70THz~3.36THz频段的宽带吸收(吸收率在90%以上), 相对带宽达到21.8%;在T＜68℃时, 可以实现多个单频点的吸收;改变结构参量h4,k可以改变吸收频点的位置以及吸收带宽, 改变入射角度θ可以影响吸波器的吸收效果。该研究对可调谐太赫兹器件的进一步探究是有帮助的。

为了在TE波下获得带宽可展宽(11GHz~14GHz频带内)且可调谐的吸收曲线, 提出了一种新型超材料吸波体, 其周期性结构单元采用蜂窝状特有的六边形结构。对该吸波体的参量分析图进行了计算, 研究了变量g和d的数值不同时, 对吸波体吸收频带及吸收带宽的影响, 并解释了蚀刻“十”字形结构吸波体带宽展宽的成因。结果表明, 该吸波体在9.17GHz~9.5GHz低频频域的吸收率达到90%以上, 当不同的等离子体谐振区域被激励时, 可以实现吸波体的分时分频域吸收以及改善吸波体的吸收性能, 改变变量g和d可以实现对吸收频带的动态调控; 可以通过在方形结构中蚀刻“十”字形结构的方式拓宽高频频域的吸收带宽, 其在12.08GHz~13.91GHz频域的吸收率高于90%, 改变变量s可以明显展宽吸收频带, 且该吸波体对入射电磁波的角度不敏感。该吸波体的设计思路为拓宽吸波体的吸收带宽提供了一种有效的方法。

为了实现空间中波束的动态扫描, 设计了一款基于固态等离子体的超表面。采用阵列单元相位曲线拼接的技术, 通过拼接介质基板厚度不同的阵列单元的相位曲线来实现0°~360°的相位补偿, 并用数值插值的方式建立超表面参变量与相位补偿角之间的映射。结果表明, 超表面的反射主波束方向θ分别为15°, 25°和30°, 计算结果与设计相符合, 通过改变固态等离子体的激励区域来重构阵列单元, 实现了空间中波束在θ为15°, 25°和30°时的动态扫描。此反射型超表面阵列单元的普适性设计方法, 降低了阵列单元的设计难度, 并通过固态等离子体的可调谐特性实现了空间波束扫描超表面的设计。

设计了一种结合正方形和八边形环的波束扫描超材料平面反射阵列天线。相比于传统的阵列天线设计, 运用了新的相位补偿方法, 即通过组合反射阵列单元在介质基板的材料不同时得到的相位曲线实现0~360°的相位补偿, 使得阵列单元的相位曲线不需要完全覆盖0~360°, 并且采用埃尔米特插值的方式解决相位特性曲线线性度差的问题。该方法的优势是具有广泛适应性, 降低了对阵列单元的设计要求。利用这种方法设计了几款单层平面反射阵列天线, 仿真结果显示反射波束方向与预期设定值相符合, 且副瓣与主瓣都相差至少15 dB。通过调节超材料固态等离子体激励区域的范围即改变阵列单元的谐振结构, 实现了空间波束扫描, 为平面反射阵列天线的设计提供了一种新思路。

为了在TE波下获得可调谐的吸收频谱, 设计了一款基于等离子体超材料的吸波器。采用全波仿真方法对该吸波器的吸收率和表面电流图进行了计算, 并探讨了结构参量c, v和入射角度θ对吸收率的影响。结果表明, 通过激励不同的等离子体谐振区域不但可以改善其吸收特性, 而且还能获得可调谐的吸收频谱; 改变结构参量c和v可以在实现拓展吸收带宽的同时, 使得吸收频域也发生移动; 改变入射角度θ的大小对吸收率的影响不大。该吸波器具有很好的角度稳定性。

为了在横电(TE)波下获得可调谐的超宽带吸收频谱以及在横磁(TM)波下获得较高的反射率, 利用等离子体超材料和集总电阻设计了一种电磁吸波体, 并采用全波仿真法对其吸收率、反射率、表面电场图、表面电流图和能量损耗图进行了计算, 讨论了其结构参数及电阻对吸收率和反射率的影响。研究结果表明, 通过激励不同的等离子体谐振区域, 不但能改善吸收特性, 还能获得可调谐的吸收频谱; 设计的电磁吸波体不仅能实现对TE波的超宽带吸收, 还能实现TE波和TM波的极化分离。

为了研究3维函数光子晶体的光子禁带特性, 采用平面波展开法计算得到色散曲线, 推导了平面波展开法的相关计算公式以及介质球介电常数的函数关系式, 探讨了可调参量函数系数I和介质球半径R1对光子禁带特性的影响。结果表明, 3维函数光子晶体呈立方体晶格分布, 由介质球填充空气背景; 与常规3维介质光子晶体相比, 3维函数光子晶体不仅能得到可调谐的光子禁带, 而且可以拓展禁带带宽, 并增加光子禁带的数量;改变函数系数I的大小可以实现对光子禁带数量、位置和带宽的调谐;改变介质球半径R1可以对光子禁带带宽实现展宽, 并改变光子禁带的位置。该研究对设计新型可调谐器件是有帮助的。

为了研究1维石墨烯光子晶体在可见光波段的吸收特性, 采用传输矩阵的方法进行了理论分析和数值仿真, 得到了1维石墨烯吸收特性与石墨烯层数、缺陷层介质厚度、电磁波模式有关的结果。结果表明, 增加石墨烯层数时, 对波长为556nm左右的绿光的吸收作用明显增强;缺陷层介质厚度增加时会引起吸收峰的增加;在TE模式下, 入射角对石墨烯光子晶体吸收特性影响较小。该研究结果为1维石墨烯光子晶体吸收器的设计提供了理论依据。

采用传输矩阵法研究了石墨烯谐振腔在一维周期结构中的吸波特性。 在700～950 nm波段，通过改变不同介质的尺寸、入射角大小以及电磁波模式等参数，分析了吸 收频点及吸收峰值的变化情况。研究结果表明，在改变缺陷层的尺寸时，可产生单频点或双频点 吸收峰；入射角及电磁波模式的变化对吸收峰的峰值影响较大。以上分析结果可以为近红外石 墨烯吸波器的设计提供理论依据。

为了研究1维3元磁化等离子体光子晶体的传输特性，采用传输矩阵法得到了TE波通过1维3元磁化等离子体光子晶体后的左旋和右旋极化波的传输特性，用计算得到的透射系数来讨论了周期常数、介电常数、介质层厚度和等离子体参量对其传输特性的影响。结果表明，改变介电常数、介质层厚度和等离子体频率可以实现对禁带数目和宽度的调谐，改变周期数和等离子体碰撞频率不能影响禁带带宽;等离子体回旋频率仅仅能影响右旋极化波的禁带带宽,对左旋极化波的禁带带宽无影响。这为设计1维3元磁化等离子体光子晶体器件提供了理论参考。