超大长宽比U型开口谐振器的太赫兹调控特性

近年来,金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值,及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用,引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构,利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析,讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种U型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上,从而实现了太赫兹的异常透射现象,这种超大长宽比的U型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。     

射电天文用太赫兹三通带频率选择表面设计

本文设计一种基于单屏改进型开口谐振环(SRR)的太赫兹频率选择表面(FSS). 改进型 SRR 谐振单元由具有开口缝的金属贴片组成, 开口缝的物理尺寸会影响其阶跃特征阻抗特性. 本文通过对改进型 SRR 单元结构建立LC等效电路模型, 提取等效电路模型参数, 并结合传输线理论, 得到 FSS 的基频计算公式和谐波关系式. 相比于传统均匀 SRR, 本文所提出的改进型 SRR 多频带传输的控制更为灵活. 基于此特点, 设计了一款中心频率依次为 0.46 THz, 0.86 THz和 1.03 THz, 可应用于射电天文的三通带太赫兹 FSS. 采用电磁仿真软件对影响该 FSS 传输特性的关键参数、周期间隔、小型化程度以及入射角敏感性等重要指标进行分析研究. 结果表明, 改进型 SRR 三通带 FSS 在三个通带内的反射系数分别为 -37.6 dB, -13 dB和 -19.6 dB, 在0°–60° 范围内均具有稳定的频率响应特性, 且具有小型化程度高、损耗低等特点. 这种三通带 FSS 在太赫兹频段射电天文方面有潜在的应用价值.     

太赫兹波段谐振频率可调的开口谐振环结构

开口谐振环(SRRs) 结构可以激励磁谐振, 实现负的磁导率. 提出在SRRs两环间隙内引入相对交错的金属短线, 并研究了金属短线对谐振频率的影响. 结果表明: 随着金属短线数目的增多, 谐振频率显著降低, 同时金属短线的结构参数如长度、宽度及间距也会对谐振频率产生影响. 最后验证了金属短线的引入对减小器件尺寸有明显作用, 且不因介质基底的存在而受到影响. 新型磁谐振单元可为今后超材料的设计及实际应用提供新的参考. 关键词： 左手材料 开口谐振环 太赫兹 小型化     

太赫兹频段开口环谐振器的可调谐振模式转换

在硅衬底上设计了一种单开口环谐振器，对其太赫兹频段内的透射性质进行了研究。假定通过光注入方式改变衬底硅的电导率，实现了谐振环的双谐振透射率可调。将砷化镓材料生长于该谐振环的开口处，通过光注入方式改变砷化镓材料的电导率，可以实现谐振环的双频LC共振和偶极子共振模式与单频闭合环共振模式之间的转换。这种通过光注入改变半导体材料电导率的方法，可以在不破坏原来谐振器件物理结构的前提下，实现谐振环谐振模式的可逆转换。     

基于非对称开口环超表面结构的电磁响应研究

超表面具有特殊的电磁响应特性,在太赫兹领域具有广泛的应用前景.设计了以1对镜像的、非对称开口的金属环为基本单元的超表面阵列结构.仿真结果表明该超表面结构在太赫兹电磁波入射时产生镜像对称的偶极子共振电流,形成诱导磁场,进而通过感应产生的诱导电场来调控太赫兹透射波.利用COMSOL软件研究了开口环结构、分析层与衬底等参量对太赫兹电磁波响应的影响.通过光刻加工了具有典型参量的样品,利用太赫兹时域光谱仪测量样品的透过率曲线.实验测量结果和仿真模拟结果趋势基本一致.     

基于发卡式开口谐振环的柔性双频带超材料

本文设计了一种基于开口谐振环(split ring resonator, SRR)混合排列单元格的小型化双频带超材料(metamaterial, MM). 该MM的单元结构为发卡式SRR, 所设计的双频带MM可以应用于无线局域网(2.4 GHz) 和全球微波互联接入(3.5GHz)系统. 并且, 采用柔性介质作为基板增加了MM的柔韧度和普适性, 实验和测试结果表明: 双频带MM的中心频率可以通过调节SRR的尺寸进行控制. 此外, 本文也对MM在不同入射角的情况进行了分析, 结果表明MM对入射角度不敏感.最后, 通过MM的表面电流分布情况研究, 进一步解释了其双频带谐振频率的产生原理.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制（英文）

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

基于类电磁诱导透明效应的太赫兹折射率传感器

利用时域有限差分法对由闭合方环(SCL)和开口谐振环(SRR)组合构成的平面太赫兹谐振器实现的类电磁诱导透明(EIT)效应及其折射率传感器进行了仿真分析。结果表明,该类EIT谐振峰对周围环境介质折射率变化具有很高的灵敏度,且其FOM(Figure of merit)值达到4.06,优于独立SCL或SRR结构传感器的0.09和2.48。利用激光诱导技术与化学镀铜技术在聚酰亚胺薄膜上加工了谐振器样品,并对其进行了透射性能测试,测试结果与仿真计算基本一致。     

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。     

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     

Negative magnetic permeability of split ring resonators in the visible light region

Negative magnetic permeability of split ring resonator (SRR) is theoretically investigated in the visible light region. In our calculations, we considered the delay of the current inside the metal SRR in order to estimate the permeability of the SRR precisely. From the results, the silver SRR array with small capacitance exhibits negative permeability in all the visible range. The dependence of the permeability on the filling factor of the SRR elements is also discussed.     

Identifying magnetic response of split-ring resonators at microwave frequencies

In this study we provide experimental methods to identify the magnetic resonance of split ring resonantors (SRR) at the microwave frequency regime. Transmission measurements were performed on both single SRR unit cell and periodic arrays of SRRs. The magnetic response of the SRR structure was demonstrated by comparing the transmission spectra of SRRs with closed ring resonators (CRR). Effects of the changes in the effective dielectric constant of the SRR medium on the band-gaps of SRR are investigated experimentally. SRRs not only exhibit a magnetic resonance band gap but also a band gap due to the electric resonance. Finally, we present the effect of electric coupling to the magnetic resonance of bianisotropic SRRs by utilizing SRRs with different orientations, and incident electromagnetic wave polarizations.     

超材料微波磁导率色散行为的电可调控性研究

研究在开口金属谐振环(SRR)结构嵌入一个电容二极管后,通过电压调控二极管的电容使得SRR结构的等效电容值发生改变,能实现对SRR的谐振频率和等效磁导率的调控,从而提出了一种智能的微波磁性超材料结构.采用时域差分有限元法(Finite-Difference Time-Domain)和恢复算法模拟了变容二极管的工作电压变化下,SRR结构谐振频率和磁导率的变化规律.研究结果表明工作电压增大使变容二极管的电容值减小时,将导致SRR结构的谐振频率向低频段移动,其磁导率的共振频率也将向低频移动.最后指出了SRR结构与常规磁性材料(如铁氧体)磁导率色散行为的不同之处. 关键词： 超材料 微波磁导率     

Extended verification of scaling behavior in split-ring resonators

We present an expanded LC-model for nanoscale split-ring resonators (SRR), including the influence of dielectric host materials. The LC-model is experimentally verified by changing the geometry of the SRR unit cell as well as by optofluidic tuning, where the SRR samples are covered with index oil. The extended model can be used as a general guideline for metal SRR structures with arbitrary dielectric host materials.     

Experimental analysis of true left-handed behaviour and transmission properties of composite metamaterials

We report the true left-handed transmission of a composite metamaterial (CMM) consisting of periodically stacked split-ring resonator (SRR) and wire elements. The negative permeability (μ < 0) gap is demonstrated explicitly by comparing SRR and closed-ring resonator structures. We confirm experimentally that the plasma cut-off frequency of the CMM is determined by the combined dielectric response of SRR and wire elements, and it is much lower than that of the wire-only medium. This is crucial to identify the left-handed transmission bands of the CMM. We further investigate the effect of intralayer and interlayer disorder on the transmission spectrum of CMM arising from misaligned fabrication and stacking of the SRR layers. We found that the intralayer disorder affects the μ < 0 gap of SRRs and the left-handed transmission band of CMM significantly, whereas the SRR transmission is rather immune to interlayer disorder.     

Broadband planar left-handed metamaterials using split-ring resonator pairs

In this paper, we showed that split-ring resonator (SRR) pairs can be used as broadband planar left-handed metamaterials (LHMs). Simulations were carried out for one layer of infinite LHM slab using SRR pairs. The results showed that by carefully adjusting dimensions of the SRR pairs, magnetic and electric resonances can be coexistent at some frequency ranges and in the frequency range where there are both negative magnetic and electric responses, there is a broad LH band. Equivalent circuits for the magnetic and electric resonance were offered to give a qualitative and quantitative explanation of the LH behaviors of LHMs using SRR pairs.     

一种基于开口谐振环的高增益端射天线设计

基于开口谐振环(split-ring resonator, SRR)奇异的电磁特性, 设计并制备了一种覆盖C和X波段的高增益SRR-Vivaldi端射天线. 采用等效分析方法对SRR结构谐振特性进行了研究, 并将其应用于传统Vivaldi天线指数渐变槽线前方, 使SRR结构形成特殊谐振能力的引向器, 将天线表面电流集中于端射方向, 在保证天线尺寸和带宽不变的前提下, 实现了天线增益的有效提升. 仿真和测试结果表明, 新型SRR-Vivaldi天线在C波段增益平均提高75.44%, xoy面和xoz面半功率波束宽度都缩减20°以上; 在X波段增益平均提高24.46%, xoz面半功率波束宽度大约缩减25°. 该结构具有低成本、设计简单、便于加工、利于共形等优点, 为端射天线提高增益和增强定向性提供了新思路.     

Dual-band wearable antenna using split ring resonator

Abstract

This paper presents dual-band wearable antenna using split-ring resonator (SRR). The SRR is placed near patch and feed line. SRR makes a major contribution to the first operating band (2.32 GHz), but it has a minor effect on the second operating band (3.5 GHz). The wearable antenna at 3.5 GHz (without using SRR) is also presented for comparison sake. The simulation results are analyzed and compared with the measured results, which shows that there is a good agreement between them.