磁电耦合超材料本构矩阵获取方法的研究

单负(仅介电常数或仅磁导率小于零)超材料以及由导线-开口谐振环组成的双负超材料本构参数的提取通常采用传统的S参数方法. 由于磁电耦合超材料存在交叉极化现象, 仅用介电常数和磁导率两个本构参数无法准确描述其电磁特性. 传统的S参数提取方法一开始就假定超材料仅具有介电常数和磁导率两个本构参数, 所以采用该方法提取磁电耦合超材料本构参数存在明显局限性. 将磁电耦合超材料中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过推导平均电通密度和磁通密度与外加电磁场的相互关系, 从理论上获取了磁电耦合超材料2×2 的本构参数矩阵, 确定了磁电耦合超材料这四个本构参数与磁元件的磁导率、电元件的介电常数、空间色散项和耦合系数之间的关系解析公式, 进而获得了折射率理论计算公式. 利用该折射率公式对折射率提取值进行了非线性拟合, 发现提取值和理论值之间的误差很小, 这个结果很好地验证了所给出的本构矩阵解析式和折射率公式的正确性. 根据拟合结果, 获得了磁电耦合超材料本构矩阵中四个电磁参数的频率响应曲线. 所提出的磁电耦合超材料本构矩阵参数获取方法将为研究磁电超材料中电元件和磁元件的耦合现象提供重要的理论参考.     

基于阻抗模拟的等效电磁参数研究

为能够较好的计算混合介质等效复介电常数和复磁导率, 提出了一种基于等效电路理论的阻抗模拟方法.导出了材料的电磁参数与材料容抗、感抗之间的对应关系, 并建立了能够较完整、精确地刻画实际复合材料的模型.通过求解混合介质的等效阻抗, 进一步反演其等效电磁参数.将计算结果与经典理论公式以及基于有限差分的数值方法进行了比较, 结果都符合得很好, 说明该方法可以用于计算材料的等效电磁参数.另外, 引入薄膜层结构来刻画表面效应等因素, 使得计算结果更加符合实验结果, 弥补了经典公式在这方面的不足, 同时也体现了该方法在刻画实际模型时所具有的优势. 关键词： 等效电磁参数 阻抗模拟 等效电路 混合介质     

复合介质等效电磁参数的数值研究

利用时域有限差分(FDTD)方法研究了掺杂介质材料等效电磁参数的反演方法.首先用FDTD方法计算掺杂介质的反射、透射系数,然后结合遗传算法和传播矩阵法反演不同掺杂比率的等效电磁参数,得到了等效电磁参数随掺杂比率变化的关系曲线.在复合材料的掺杂比率较低和较高时,等效电磁参数计算公式之间以及数值方法得到的结果比较一致;当掺杂比率处于中间值时,则稍有差别.结果显示用数值方法反演复合材料等效电磁参数具有可行性.     

基于负微分电阻碳纳米管的太赫兹波有源超材料特性参数提取

利用碳纳米管在外加静电场下可产生常温太赫兹频段负微分电阻的特性, 提出了太赫兹波频段的有源超材料设计方法以及块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法. 对无源金属线阵进行参数提取, 证明所提出的块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法, 可以有效解决传 统参数提取中的符号与多分支选择问题. 通过对嵌入具有负微分电阻特性的碳纳米管的金属线阵进行参数提取, 发现太赫兹波有源超材料不仅具有等效介电常数虚部为负(代表电有源)的特性, 而且还具有磁性色散的特性.     

基于迭代反演的非磁性材料复介电常数测量及初值选取方法

复介电常数是反映材料宏观电磁性质的重要参数,电磁领域相关材料和器件的选取、设计及应用都必须基于材料在工作频段的电磁参数.数值迭代法是反演计算材料复介电常数的重要方法,但一直存在难以准确给出迭代初始值的问题.本文基于吸波材料介电常数与反射率的关系,提出了一种迭代法反演吸波材料介电常数的初值选取方法,以此为基础构建了一种利用反射参数反演计算单层吸波材料、多层材料中唯一未知层材料复介电常数的方法,并通过实例测试验证了方法的有效性.     

亚波长间距理想导体球阵列近区时间反演电磁场的快速求解

为快速求解亚波长间距分布的理想导体球阵列近区的时间反演电磁场,提出一种基于等效偶极子模型的解析分析方法.首先,通过分析球面波照射理想导体小球的散射场解析解发现,散射场可以近似等效为电磁偶极子辐射场的叠加.等效偶极子的强度与初始激励源的幅度成正比关系.通过建立不同小球等效偶极子矢量间的耦合方程组可以直接求解得到相应矢量的大小.然后,结合时间反演腔理论得到相应的时间反演并矢格林函数,继而得到小球阵列近区的时间反演场分布.最后,通过与数值仿真软件的计算结果进行对比,验证了方法的正确性及高效性.研究表明,时间反演技术结合近场亚波长间距小散射体加载能够实现超分辨率的场聚焦.     

基于等效介质原理的宽角超材料吸波体的理论分析

目前,很少有文章就如何实现宽角度吸波材料进行详细的理论分析和设计指导,设计宽角度吸波材料仍然是一件很困难的事情.本文基于等效介质理论对带有反射地板的单层介质超材料吸波体进行较为详细的理论分析.从基础电磁理论出发,推导TE波(横电波,电场方向与入射面垂直的平面电磁波)和TM波(横磁波,磁场方向与入射面垂直的平面电磁波)照射下吸波体的反射系数,分析实现宽角度吸波效果所需的等效电磁参数,为宽角度超材料吸波体的设计提供了理论基础.此外,论文还理论分析了实现宽带宽角吸波等效电磁参数所要满足的条件,并做了计算检验.结果表明,当介质等效电磁参数按照特殊曲线随频率发生变化时,理论上能实现宽带宽角的吸波效果.     

基于偶极子方环交叉元有损电容表面的薄宽带吸波器设计

为了解决常见吸波材料厚度大、吸波频带窄的问题，设计了一种采用新型偶极子方环交叉元结构的带宽大、厚度薄的吸波器，它由导电浆料和氧化铝陶瓷组成。基于有限差分时域方法采用CST软件仿真计算了该吸波器的电磁参数与反射率之间的关系。利用等效介质理论反演得到了吸波器的等效电磁参数与等效阻抗。通过优化偶极子方环交叉元结构的单元尺寸和电路参数，设计的吸波器在11.0～18.0 GHz频率范围内反射率小于-10 dB，厚度为1.6 mm，品质因素（FOM）远高于大多数文献报道的吸波器。研究发现该吸波器的损耗机制为共振损耗和欧姆损耗，组合频率选择表面（FSS）可以增强电磁损耗。实测结果与仿真吻合得较好，该超材料吸波器具有超薄宽带吸收的特性。     

磁电超材料折射率特性分析

基于麦克斯韦旋度方程, 将磁电超材料板中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过计算这些周期性面电流和面磁流在某个磁电超材料板上产生的总电场和总磁场, 获得了关于面磁流密度和面电流密度的两个方程, 进而推导出了周期性磁电超材料折射率与磁元件的磁导率、 电元件的介电常数和空间色散项之间关系的解析公式. 与传统的折射率计算公式不同, 该解析公式充分考虑到了空间色散以及磁电超材料的电元件和磁元件的相互作用. 折射率理论曲线和基于仿真实验数据的提取值曲线能很好地符合, 这说明文中推导的折射率公式能够正确地描述磁电超材料的负折射特性. 本文的结果将为分析电磁元件之间的相互作用以及设计负折射率符合一定要求的磁电超材料提供重要的理论参考. 关键词： 磁电超材料 周期性结构 负折射率     

宽频近零等效介电常数超材料及其在光场调控中的应用(特邀)

近零等效介电常数超材料以其近乎等于零的等效介电常数所赋予的电磁特性使其在理论研究和工程应用中均有可观的价值,是电磁超材料领域研究热点之一.本文系统总结了为了解决现有近零介电常数超材料工作频率单一的不足,以等效介质理论的Bergman-Milton谱表述理论为基础,结合超材料典型微观结构等效介电常数谱表述的特点,建立宽频...     

Numerical demonstration of three-dimensional terahertz metamaterials based on the causality principle

A parameter retrieval algorithm based on the causality principle and Kramers-Kronig （KK） relations is employed to calculate the effective parameters of three-dimensional （3D） metamaterials. Using KK relations, the branch selecting problem, which is the challenge of effective parameter retrieval method, can be removed. To reveal the validity of the proposed algorithm, the constitutive refractive index of a homogeneous polymide cube is extracted. The result is in excellent agreement with the intrinsic refractive index of the polymide. Finally, the two terahertz metamaterials with 3D structures are designed and their effective parameters are then retrieved using the proposed algorithm. Numerical simulations are performed using the fuiI-wave electromagnetic solver, CST Microwave Studio.     

交指电容加载的周期性对称负磁导率人工材料研究

利用二端口网络理论和弗洛奎定理, 详细分析了周期性对称磁谐振人工材料的相对布洛赫磁导率与散射矩阵参数的关系, 利用这个关系提取了四种形式的开口谐振环布洛赫磁导率. 全波仿真和磁导率数值提取结果表明, 在开口谐振环的开口处加载交指电容, 磁谐振频率将显著降低. 这些成果将为提取周期性人工材料的布洛赫磁导率提供理论依据, 同时为小型化磁谐振特异人工材料提供新的设计思路.     

一种设计Metamaterials结构的新思路

Metamaterials因其在特定频段内同时满足负的介电常数和负磁导率而具有与常规介质不同的电磁特性,该电磁特性与Metamaterials的结构密切相关。分析了线环结构的结构参数与其电磁特性的关系,在此基础上提出了一种方形环结构设计。仿真结果表明,方形环结构可以同时满足负的介电常数和负磁导率,具有负折射特性,而且具有比线环结构更宽的带宽。     

Retrieval of high-order susceptibilities of nonlinear metamaterials

Active metamaterials embedded with nonlinear elements are able to exhibit strong nonlinearity in microwave regime.However, existing S-parameter based parameter retrieval approaches developed for linear metamaterials do not apply in nonlinear cases. In this paper, a retrieval algorithm of high-order susceptibilities for nonlinear metamaterials is derived.Experimental demonstration shows that, by measuring the power level of each harmonic while sweeping the incident power,high-order susceptibilities of a thin-layer nonlinear metamaterial can be effectively retrieved. The proposed approach can be widely used in the research of active metamaterials.     

Enhancement of the Kerr effect for a quantum dot in a cavity

Nonlinear susceptibility of a quantum dot (QD) embedded in a two-sided cavity, is studied theoretically from a weak-coupling to a strong-coupling regime. In the relevance of a quantum logic gate, the corresponding nonlinear phase shifts (Kerr effect) are estimated for coherent wavepackets including one photon on average. In the weak-coupling regime, the phase shift enhances strongly as a function of a coupling constant between the cavity photon and QD, and eventually saturates in the strong-coupling regime. We also show transmission spectra to evaluate the efficiency of the phase shift. Although the efficiency decreases monotonically in the weak-coupling regime, it rises in the strong-coupling regime.     

Conversion from constitutive parameters to dispersive transmission line parameters for multi-band metamaterials

Abstract

In this study, we explain an approach including conversion from constitutive parameters to dispersive transmission line parameters using the double-band DNG (double-negative) properties of the circular type fishnet metamaterials. After designing the metamaterial structure, the numerical calculations and the composite right/left-handed (CRLH) modeling of circular-type metamaterials are realized in free space. Detailed dispersion characteristics give us the opportunity to explain the true behavior of the inclusions during the analysis stage. By combining the results coming from the standard retrieval procedure with the conventional CRLH theory, we calculate the actual values of the transmission line parameters for all frequency regimes. The constitutive parameters of an equivalent CRLH transmission line are derived and shown to be negative values. It is shown that the constitutive parameters present the same behavior for all negative refractive index regimes. The double-negative properties and the phase advance/lag behavior of metamaterials are observed based on the dispersive transmission line parameters.     

有限周期电磁结构的区域分解快速算法

针对有限周期电磁结构,提出一种高效率的有限元分裂与互连算法.把原求解区域划分成若干个子区域,显著地降低了问题的复杂度.根据广义变分原理,采用拉格朗日乘子在子区域之间交换信息,并建立其相应的粗问题.研究子区域系数矩阵的可逆性.通过引入基本子区域,实现可扩展并行计算,且尤其适合于分析光子晶体等有限周期结构.