非对称开口六边形谐振单环的微波透射特性

受自然界树型结构的启发，设计了分叉树型微结构单元，用电路板刻蚀技术制作了非对称开口六边形谐振单环及其组合结构.采用计算机模拟和实验研究了单个和多个谐振环在微波段(7—12 GHz)的电磁响应行为.研究结果表明：该结构具有负磁导率特性，开口谐振环几何尺寸影响环的磁谐振频率；两环环间距较小时出现二次谐振；带高级分支的辐射状环列相对于不带分支环列透射峰向低频移动.实验和模拟结果相符. 关键词： 负磁导率 开口谐振环 透射率     

一维负磁导率材料中的缺陷效应

理论和实验已经表明，金属开口谐振环（split ring resonators,简称SRR）可以实现材料的有效磁导率μeff在某一频率范围内为负.采用波导法实验研究了不同几何尺寸的六边形SRR在X波段微波作用下的近邻相互作用.实验发现，相同尺寸的六边形SRR周期性排列而成的一维负磁导率材料存在一个谐振频率；当缺陷谐振环引入一维负磁导率材料时，主谐振频率和缺陷环谐振频率同时发生移动；主谐振频率和缺陷环谐振频率的移动量随缺陷与双环谐振频率之差的增加而减小，当缺陷环谐振频率与双环谐振频率接近时，环间的相互作用增强，频率的移动量增大. 关键词： 负磁导率 缺陷效应 开口谐振环     

垂直入射条件下金属环的谐振特性

本文研究垂直入射条件下水平极化和垂直极化时金属开口谐振环(split ring resonator, SRR)的电磁响应行为. 通过分析这两种情况下的透射系数、介电常数和磁导率, 发现垂直极化时, SRR可以产生电谐振实现负介电常数, 其频段远高于磁谐振频段; 水平极化时, SRR只能产生磁谐振实现负磁导率, 其频段与水平入射时的SRR的磁谐振频段相对应. 通过仿真对此进行了证明, 并对产生电谐振和磁谐振的原因进行了分析.     

连通的开口和闭口谐振环构成的磁超材料设计

在已有的磁超材料和左手材料结构中,负等效磁导率主要通过开口谐振环、平行短金属线对或者它们的变形结构来实现. 这些结构要求入射电磁波的电场方向平行于基板. 针对这一特点,利用将开口和闭口的谐振环相连通的思想,设计出了入射电磁波的电场方向垂直于基板型的三维磁超材料,并予以实验验证. 该对称结构中金属线线宽的变化对磁谐振频率影响很小,有利于实际的加工和应用. 同时,该结构对于设计三维以及具有极化无关、均匀各向同性等特点的磁超材料和左手材料具有参考价值. 关键词： 磁超材料 谐振环 电场方向     

新型小型化的平面左手介质微带线及其后向波特性验证

基于裂缝谐振环结构的降频技术,首先设计了一种电尺寸较小的左手介质微带线单元,并根据电磁波在微带线上的传输和反射数据,分别计算了左手介质的有效介电常数和有效磁导率.之后针对左手介质八元阵列进行三维电磁仿真实验,结果表明该八元阵列在左手介质频段上具有独特的后向波效应,从而证实了该左手介质频段的存在.与传统的左手介质微带单元相比,阐述的左手介质单元的电尺寸减小了60%,而且结构简单,便于加工,适用于平面电路器件的小型化等应用研究工作. 关键词： 左手介质 小型化 双负特性 后向波特性     

同时实现介电常数和磁导率为负的H型结构单元左手材料

基于用一种结构同时实现材料介电常数和磁导率为负的思想，提出了H型结构单元左手材料模型.采用矩形波导法测试表明，H型结构单元在微波频率范围出现左手透射峰，并且可以由参数t对左手特性区域进行调控.同时利用相位法、棱镜折射法和散射参量法从实验和理论证明了在左手透射峰区域材料的折射率为负值，介电常数和磁导率亦同时为负.相对由金属开口谐振环与金属线两种结构组合实现的左手材料，H型结构集磁谐振与电谐振于一体，结构简单、制备方便，对微波器件左手材料表现出更多的优越性.     

基于蘑菇型结构的双入射超宽带复合媒质材料设计与分析

通过设计一定的单元结构, 可以实现超宽带人工电磁材料. 基于蘑菇型金属结构, 提出了一种同时具有左右手通带无缝结合的超宽带双入射型复合媒质材料结构单元. 该结构由嵌入到介质板的两个反向对称的蘑菇型金属结构组成, 能够同时引发电谐振和磁谐振而得到左手通带. 通过利用CST软件仿真、等效电磁参数提取、折射率计算以及建立等效磁谐振电路模型等方法, 分析验证了该结构的双入射特性和左手特性. 仿真结果表明, 在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下, 在X波段均表现出左手通带特性, 并具有1 GHz以上的左手带宽. 当电磁波垂直于介质板入射时, 在7.2 GHz-9.3 GHz频段为右手通带, 在9.3 GHz-11 GHz频段为左手通带; 当电磁波平行于介质板入射时, 在7.0 GHz-9.0 GHz频段为右手通带, 在9.0 GHz-10 GHz频段为左手通带. 在两种情况下分别于9.3 GHz与9.0 GHz处得到了零折射率, 从而构造了一种正-零-负复合媒质材料, 实现了具有3 GHz带宽的双入射超宽带平衡结构.     

新型八边形谐振环金属线复合周期结构左手材料奇异性质研究

通过实验及仿真研究了基于C环的新型八边形开口谐振环金属线复合周期结构左手材料.以金属铜八边形谐振环(SRRs)为基本单元的周期结构负磁导率材料,与闭口环(CSRRs)结果对比发现八边形谐振环能产生很好的谐振效果即能产生负磁导率;复合结构仿真结果显示,八边形谐振环金属线复合结构实现负折射具有可行性.设计、制作并实验和仿真研究了两种尺寸的八边形谐振环金属线复合周期结构左手材料,实验结果显示,分别在9.8—15GHz和9.5—15GHz出现良好负折射效应,表明小尺寸材料负折射频段较宽但整体能量透过率较小.通过与尺寸相近的传统C环样品实验对比发现八边形样品损耗较大,但其负折射区域能量分布比例较大,具有一定的优越性.该研究对新型周期结构左手材料的研究、设计和研制具有重要的科学意义,在国防、通信等领域也具有广阔的应用前景.     

新型八边形谐振环金属线复合周期结构左手材料奇异性质研究

通过实验及仿真研究了基于C环的新型八边形开口谐振环金属线复合周期结构左手材料.以金属铜八边形谐振环(SRRs)为基本单元的周期结构负磁导率材料,与闭口环(CSRRs)结果对比发现八边形谐振环能产生很好的谐振效果即能产生负磁导率;复合结构仿真结果显示,八边形谐振环金属线复合结构实现负折射具有可行性.设计、制作并实验和仿真研究了两种尺寸的八边形谐振环金属线复合周期结构左手材料,实验结果显示,分别在9.8—15 GHz和9.5—15 GHz出现良好负折射效应,表明小尺寸材料负折射频段较宽但整体能量透过率较小.通过与尺寸相近的传统C环样品实验对比发现八边形样品损耗较大,但其负折射区域能量分布比例较大,具有一定的优越性.该研究对新型周期结构左手材料的研究、设计和研制具有重要的科学意义,在国防、通信等领域也具有广阔的应用前景.     

基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料

本文将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合, 提出了一种基于斜三角开口对环结构的新型宽频带低耗左手材料结构. 该结构能产生两个磁谐振, 实现两个双负频段. 研究表明, 调节单元尺寸可使两个双负频段移动重合形成一个宽频带. 理论分析、仿真和测试结果均表明, 本文提出的新形结构在9.3—13.2 GHz频段同时具有负的磁导率和负的介电常数, 相对带宽34.7%, 损耗性能系数347.9, 实现了宽带低耗左手材料. 其研究结果对多频段、宽带低耗左手材料的设计具有重要的指导意义.     

光频三维各向同性左手超材料结构单元模型的仿真设计

基于树枝结构单元思想,提出了光频三维各向同性左手超材料球刺结构单元模型.采用金属的Drude原理,运用等效媒质理论,仿真研究了结构的电磁响应特性.在晶格间距与工作波长的比值满足等效媒质理论要求的前提下,通过调节结构单元的几何参数,发现它能在光波段出现介电常数和磁导率同时为负值的区域,实现折射率小于零的左手超材料响应特性.该模型结构简单,具有各向同性特点.研究结果为采用"由下向上"方法制备光波段的三维左手超材料指出了新的途径. 关键词： 球刺模型 光波段 三维 各向同性     

基于开口环的可调谐滤波器及其电磁带隙

基于开口谐振环上加载变容二极管设计可调谐滤波器,很好地实现了电磁波带隙的可调.在单环开口谐振环缝隙处或者双环开口谐振环的两环之间加载变容二极管,改变加载变容管上得的电压,改变该结构的分布参量而达到滤波器可调性能.同时通过数值计算分析了该滤波器结构对电磁波的频率响应函数,指出其形成电磁波带隙的物理机制,为了消除开口谐振环的磁谐振效应而关闭开口谐振环的缝隙实验进行了验证.研究表明基于变容管开口环的可调谐滤波器所形成的电磁波带隙中,有的带隙是源于磁谐振机制.有的带隙是源于电谐振机制.对该滤波器形成带隙物理机制的研究,可以更好地理解开口谐振环,有助于其在光学和微波波段器件的设计.     

基于双环开口谐振环对的平面周期结构左手超材料

通过理论分析和实验仿真,研究了用双环开口谐振环对（double split-ring resonator pairs,DSRRP）实现平面左手超材料的原理,用等效电路理论解释并描述了其负介电常数和负磁导率的产生机理,并对DSRRP在3维左手超材料设计的应用进行了探索性研究.结果表明,DSRRP可以实现小尺寸的平面左手超材料,此外,DSRRP还可以作为用以实现3维左手超材料负磁导率的3维各向异性磁超材料. 关键词： 双环开口谐振环对 平面左手超材料 3维磁超材料     

Omnidirectional reflectance gaps and resonant tunneling effect in a one-dimensional photonic crystal consisting of two metamaterials

We investigate the properties of electromagnetic wave propagating in a one-dimensional photonic crystal (PC) consisting of two metamaterials with different dispersive model. The reflection gaps of metamaterials multilayer system are independent of the incident angle. Not only TE wave but also TM wave, the omnidirectional reflection gaps exhibit the same behavior with different incident angle for metamaterials as double negative material. We also observed that the frequency regimes of zero-transmission bands are different for TE and TM wave with the same incident angle, when one of metamaterials is the permittivity negative (ε < 0) and the other is the double negative. Correspondingly, we show that the result can be act as an efficient polarization splitter. At last, we discuss the resonant tunneling effect. If the total reflection condition is satisfied, the resonant tunneling effect is enhanced as the incident angle increases, even though the propagation wave is evanescent wave in the single layer medium.     

一种基于旋转调谐的超材料

数值仿真研究了一种可调谐的双开口谐振环(DSRR)超材料.在平行入射的电磁波激励下,这种DSRR单元可以在不同的频段分别表现出磁谐振和电谐振.当外加电场E与DSRR的双开口平行时,DSRR受激励得到的磁谐振和电谐振强度最大.随着DSRR超材料沿外加磁场H方向顺时针旋转,其磁谐振和电谐振频率基本保持不变,但谐振强度均发生显著下降,同时对应透射相位的突变也逐渐降低.提出的超材料调谐方法只需要简单地旋转材料,而不需要改变原有超材料单元的结构或者增加额外的激励场,极大地简化了可调谐超材料的制备及应用,在电磁开关、相位调制等方面具有潜在的应用.同时,这种简单的方法有希望应用于更高频段的超材料调谐,可以有效地拓展太赫兹频段和光频段超材料的实际应用.     

Transmission properties of electromagnetic metamaterials: From split-ring resonator to fishnet structure

We experimentally presented the electromagnetic behavior of transformative magnetic metamaterials: from the early invented split-ring resonator to its improvement, the cut-wire pair, for providing a negative magnetic permeability. By adding the continuous wire to cut-wire pair structure, the left-handed (LH) transmission made by doubly negative permittivity and permeability was demonstrated in combined structure. Interestingly, until the width of cut-wire pair increases to be physically merged with the adjacent continuous wire, in other words, to form the so-called fishnet structure, the LH behavior is still observed. This result indicates that in a broad sense, the essence of the electromagnetic response in the fishnet structure is similar to that in a combined structure. Our experimental results show a good agreement with previous theoretical study.     

多频带太赫兹滤波器的设计

基于不同大小形状的谐振环对电磁场不同响应的原理,设计了一种由6个嵌套式的方形封闭谐振环结构（CRR）组成的多频带太赫兹滤波器。通过利用时域有限差分法(FDTD)对该滤波器的透射特性进行研究,结果表明:当电磁波正入射或斜入射到谐振环所在平面时,能够出现六频带的滤波性,并且其透射系数对入射角度的变化并不敏感。该设计增加了滤波频带的个数,提高了滤波器对频率的敏感度,为多频带传感器、太赫兹通信技术等领域提供了理论方法。     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.     

基底对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响

太赫兹波通过人工金属亚波长结构开口共振环(SRRs)可以产生共振吸收, 目前普遍采用LC振荡电路和线性振子模型来解释. 利用太赫兹时域光谱系统测得并无开口的亚波长金属双环和反双环结构阵列透射的太赫兹波, 结果仍然观察到在太赫兹透射谱中存在吸收峰. 分析得出此吸收峰的出现可以用线性振子模型解释. 此外, 研究发现若将此结构制作到石英基底上, 当以样品表面法线方向为轴旋转样品时其太赫兹透射时域波形和频谱均会随旋转角度出现明显的周期性变化, 而以硅为基底并不出现此现象. 本文将其原因归结为石英基底的双折射效应对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响. 本文主要目的是分析造成这种影响的物理过程.     

Compact dielectric particles as a building block for low-loss magnetic metamaterials

We characterize experimentally a compact dielectric particle that can be used to design very low-loss artificial electromagnetic materials (metamaterials). Focusing on magnetic media, we show that the particle can behave almost identically to the well-known split-ring resonators (SRRs) widely used in present designs, without suffering from the Ohmic losses that can limit the applicability of SRRs especially at high frequencies. We experimentally compare qualitatively and quantitatively the dielectric particle with a typical split-ring resonator of the same size built on a low-loss dielectric substrate and show that at GHz frequencies the quality factor of the dielectric particle is more than 3 times bigger than that of its metallic counterpart. Low-loss and simple geometry are significant advantages compared to conventional metal SRRs.