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.     

电谐振器和磁谐振器构成的左手材料的实验验证

加工、制作和测试了由电谐振器和磁谐振器构成的左手材料.首先分别测试了电谐振器、磁谐振器各自的传输频谱,得到各自的负参数区域,然后测试了由电谐振器和磁谐振器构成的左手材料的传输频谱,并提取了其等效介电常数和磁导率.实验结果表明,在电谐振器和磁谐振器各自传输禁带的重合区域,出现了一个通带,在该通带内,等效介电常数和磁导率同时为负,验证了材料的左手特性.     

基于单面金属结构的二维宽带左手材料

利用将磁谐振器与共面短金属导线相结合的思想,设计了一种基于单面金属结构的二维左手材料. 理论分析与仿真结果均表明该结构在某一频段同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,并且相对左手带宽达到36%. 此外,该结构具有良好的容错能力,短金属导线宽度的变化对整体结构的谐振频率及通带宽度影响很小,这不仅有利于实际加工而且对于设计红外及太赫兹频率范围下的左手材料具有参考价值. 关键词： 左手材料 磁谐振器 宽频带 容错性     

基于平行金属双柱的太赫兹波二维左手材料

基于产生负介电常数的周期性金属线单元结构,利用平行金属双柱设计了具有双负通带的两种太赫兹波段二维左手材料。应用时域有限积分算法研究了二维左手材料的传输特性,仿真结果表明,在0.76THz附近,平行金属双柱的表面电荷振荡与反向平行电流引发了电磁谐振,出现良好的负折射效应。在0.75～0.78THz之间同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,双负通带带宽约为0.03THz。进一步研究了金属双柱间距、长度及基板厚度等结构参数对双负通带带宽的影响。研究结果为太赫兹波段左手材料的设计和研制提供了参考。     

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     

一种新型左手材料的设计和特性研究

通过对左手材料的理论分析,设计了一种宽频带左手材料结构单元.该结构单元由一个矩形闭合环和十字型结构构成的谐振器和金属线组合而成.这种新结构中的谐振器实现负磁导率,金属线实现负介电常量,经过合理的设计,可以在某一频段内使得磁导率和介电常量同时为负,即具有负的有效折射率和正的波阻抗.数值仿真结果表明:在其工作频段内存在一个通带并且在17.6～29.0 GHz频率范围内折射率实部为负,而虚部接近于零;同时在该频率范围内波阻抗实部大于零,从而说明了该左手材料具有左手特性.除此之外,相对左手带宽达到48.9％,远远优于传统的左手材料.     

一种新型左手材料的设计和特性研究

通过对左手材料的理论分析,设计了一种宽频带左手材料结构单元.该结构单元由一个矩形闭合环和十字型结构构成的谐振器和金属线组合而成.这种新结构中的谐振器实现负磁导率,金属线实现负介电常量,经过合理的设计,可以在某一频段内使得磁导率和介电常量同时为负,即具有负的有效折射率和正的波阻抗.数值仿真结果表明:在其工作频段内存在一个通带并且在17.6～29.0GHz频率范围内折射率实部为负,而虚部接近于零;同时在该频率范围内波阻抗实部大于零,从而说明了该左手材料具有左手特性.除此之外,相对左手带宽达到48.9%,远远优于传统的左手材料.     

左手材料的反射特性与负折射率行为

利用平板波导法研究了不同入射角度下周期排列开口谐振环负磁导率材料、周期排列金属杆负介电常数材料以及左手材料微波反射特性，并利用劈尖法研究了左手材料的负折射特性.实验结果表明：负磁导率材料反射率曲线形成反射峰，其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一致；负介电常数材料反射率接近0dB；左手材料出现单个反射较小的反射峰，其峰值反射率随入射角度的增大而变大，即反射能力增强，且反射峰与透射峰有相对频移.劈尖法测量还表明，左手材料在9800MHz频率附近出现负折射现象，其折射率n为-0.796. 关键词： 左手材料 反射 负折射率     

基于双十字架型宽带低耗小单元左手材料的设计与实验验证

提出了一种利用电谐振器与磁谐振器集成于一体的单面左手介质结构设计方案, 该方案采用两个十字架型金属结构镜像并列放置在介质基板的同一侧形成一个左手单元, 并将其排列成周期结构. 软件仿真和优化提取了一系列有效电磁参数, 结果表明, 该结构在9.4–16 GHz的频率范围内等效介电常数和等效磁导率同时为负, 其相对带宽达到了52%, 并且单元电长度和损耗都小于同类型的结构. 对该结构进行了加工、制作并通过波导法测试再次证明了其优良左手特性的存在性. 为左手材料的广泛应用打下了基础.     

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     

一种结构简单的二维左手材料设计及仿真研究

基于产生负介电常数的周期性金属线单元结构,讨论了金属线长度和宽度的变化对负介电常数的影响.在入射波的波矢k方向上放置两个单元结构,使两单元中的金属线响应入射波的磁场产生负磁导率,就可得到一维左手材料.若保持电边界条件的位置不变而调换波端口和磁边界条件位置,即入射波的波矢k转过90°角,两单元结构同样具有左手特性,从而可实现二维左手材料.     

基于双Z形金属条的双入射型左手材料研究

提出了一种新型二维左手材料结构单元,该结构由介质板及其两侧放置的两个反向对称的Z形金属条组成.在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下,这种结构单元于X波段均表现出左手通带特性.通过模拟仿真,提取等效电磁参数,建立等效磁谐振电路模型,分析验证了该结构的左手特性.并将双Z形结构与相似的工字形结构相比较,发现在电磁波垂直入射时两种结构均出现相似的左手通带,而在电磁波平行入射时,只有双Z形结构实现了双负特性.结果表明这种双Z形左手单元结构具有更优越的电磁波入射适应特性,即实现了双入射型左手结构单元. 关键词： 双Z形结构 二维 左手材料 双入射     

基于铁氧体基板的开口谐振环的可调微波左手特性研究

利用铁氧体的外场调制特性,提出采用铁氧体作为金属环线结构的介质基板,实现频率可调左手材料. 首先采用时域差分有限元方法数值模拟了基板材料参数变化的条件下,开口谐振环的频率可调性规律. 随基板材料的介电常数或磁导率升高,与开口谐振环负磁导率对应的透射谷频率将显著降低. 实验制备了一系列超高频软磁六角铁氧体,利用外加磁场有效调制了其磁导率. 并通过实验表明,通过调控外加磁场可以有效地调控开口谐振环负磁导率对应的透射谷频率. 关键词： 左手材料 开口谐振环 铁氧体 可调     

Nonlinear properties of left-handed metamaterials

We analyze the properties of microstructured materials with negative refraction, the so-called left-handed metamaterials. We consider a two-dimensional periodic structure created by arrays of wires and split-ring resonators embedded into a nonlinear dielectric, and calculate the effective nonlinear electric permittivity and magnetic permeability. We demonstrate that the hysteresis-type dependence of the magnetic permeability on the field intensity allows changing the material properties from left- to right-handed and back. These effects can be treated as the second-order phase transitions in the transmission properties induced by the variation of an external field.     

THz频段单面左手材料的设计及仿真研究

本文运用等效参数提取方法验证了双线螺旋结构在不同频率处不仅能够实现负的磁导率, 而且可以实现负的介电常数. 在电磁波平行和垂直入射到双线螺旋结构表面两种情况下, 发现其负介电常数的形成机理相同. 以往的单面左手材料的研究仅仅局限于微波波段, 通过改进双线螺旋结构, 在THz频段设计出一种新型单面左手材料, 同时利用LC等效电路解释了其设计原理. 一般的左手材料是由刻蚀在基板两侧的电谐振器和磁谐振器组合而成的复合结构, 与这些复合结构相比, 这种新型单面左手材料具有低损耗, 结构简单, 易于加工等优点.     

由同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料

为了在同一结构中同时实现负介电常数和负磁导率(双负),采用一种“巨”字形结构,利用丝网印刷技术在氧化铝基板上进行加工制作,并通过仿真和实验测试证实了这种结构的“双负”特性. 与利用磁谐振器和电谐振器组阵实现左手材料的方法相比,这种单一结构可以同时实现负介电常数和负磁导率,制作方便,等效电路简单,双负频段较宽. 利用丝网印刷技术进行样品的制作,工艺简单,成本低廉. 关键词： 左手材料 磁谐振 电谐振     

Effect of spiral left-handed material with near-zero index on rectangular microstrip antenna

In this paper, spirals are arranged periodically on the surface of the substrate, making a left-handed material (LHM) with a near-zero index of refraction. A radiation patch is etched on the surface of this substrate, making an antenna. The finite difference time domain method is used to study the effect of this LHM with a near-zero index of refraction on the microstrip. At f=13.78 GHz, the equivalent permittivity and permeability of the proposed spiral materials are both negative; at f=28.02 GHz, the equivalent permittivity and permeability are both negative and the refraction index is near zero. Compared with conventional microstrip antenna, the radiation gain of the antenna is much higher and the return loss is much lower due to the near-zero-index effect.     

Parametrically shielding electromagnetic fields by nonlinear metamaterials

An analytical theory is developed for parametric interactions in metamaterial multilayer structures with simultaneous nonlinear electronic and magnetic responses and with a near-zero refractive index. We demonstrate theoretically that electromagnetic fields of certain frequencies can be parametrically shielded by a nonlinear left-handed material slab, where the permittivity and permeability are both negative. The skin depth is tunable, and even in the absence of material absorption, can be much less than the wavelength of the electromagnetic field being shielded. This exotic behavior is a consequence of the intricate nonlinear response in the left-handed materials and vanishing optical refractive index at the pump frequency.