谐振频率可调的环状开口谐振器结构及其效应

理论和实验研究表明，开口谐振环(SRRs)中可以激励磁谐振从而实现负磁导率.通过在SRRs结构中引入与其开口边平行的金属短杆设计并制备了新的磁谐振单元，采用波导法系统研究了短杆对SRRs和左手材料的微波透射特性以及左手效应的影响.实验和数值模拟表明：金属短杆和SRRs开口边形成附加电容，导致SRRs开口电容增大从而引起谐振频率降低.随短杆长度l和短杆与SRRs间距d的增大，SRRs谐振频率也随之减小和增加.短杆的加入不影响SRRs的负磁导率特性，改变短杆与SRRs间距d< 关键词： 开口谐振环 金属短杆 调控 左手材料     

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.     

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     

二维负磁导率材料中的缺陷效应

研究了以金属铜六边形开口谐振环为基元的二维负磁导率材料的缺陷效应.利用电路板刻蚀 技术制备了二维负磁导率材料样品.采用波导法测量了点缺陷和线缺陷对二维负磁导率材料X 波段(8—12GHz)微波透射行为的影响.实验发现，无缺陷的二维负磁导率材料样品存在一个 谐振频率，在稍大于该谐振频率的极窄区域内表现为负磁导率.点缺陷和线缺陷SRR的引入导 致材料主谐振峰的强度下降、谐振频率发生移动，品质因数Q显著下降.缺陷的存在破坏 了材料的周期性结构，从而引起其谐振峰的谐振强度和谐振频率发生变化.缺陷效应的研究 不 关键词： 负磁导率 缺陷效应 开口谐振环     

基于三角谐振环的新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料性质研究

通过实验及仿真研究了三角谐振环组合新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料.仿真研究了以金属铜三角开口谐振环（SRRs）为基本单元的周期结构负磁导率材料,与闭口环（CSRRs）结果对比发现三角开口谐振环能产生很好的谐振效果即能产生负磁导率,并且多层单元仿真发现多个谐振环耦合能提高谐振频率并加宽谐振频段;设计、制作并实验和仿真研究了三角开口环为基本单元的六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料,仿真结果在98GHz附近出现良好负折射效应,实验验证在93—108 GHz出现良好负折射效应,与仿真结果具有良好的一致性.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和应用前景. 关键词： 左手材料 三角环组成的六边形谐振环 负折射     

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     

基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究

提出了利用介质陶瓷和铁氧体材料构建可调型带通频率选择表面的设计思路.在C波段波导模式下通过仿真设计出高介电常数方形柱状结构,优化后使其产生宽频的负介电常数,基于等效媒质理论对该结构通阻特性进行分析研究,其传输禁带的产生途径在于介质中产生了具有类Drude谐振形式的电单极子.在相同的仿真环境下对铁氧体结构进行设计优化,调节外加偏置磁场,使铁磁谐振在相应的频点发生,产生负磁导率.利用负介电常数与负磁导率的"双负"特性规律,将两种结构进行组合,协同优化,使电磁谐振相互耦合,实现通带特性.C波段波导模式下的分析表明,两种结构在同一个频点电磁谐振耦合,可以实现"双负"通带的传输效果.在由于铁氧体的磁可调特性,通过改变外加偏置磁场,该通带可以在6—8 GHz范围内可调.对电磁场矢量分布状况和等效参数提取结果进行了数值分析研究,确定了电磁耦合的性质和形成机理,充分验证了这种方法的可行性.对该结构材料样品进行加工,并测试验证,最终实验结果与仿真结果基本一致,实现了"双负"通带的可调.该方法拓展了频率选择表面的设计思路,可用于设计多通带、可调谐频率选择表面.     

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     

基于矩形谐振环的新型复合周期结构左手材料研究

通过实验及仿真研究了基于矩形谐振环的新型三角形和三矩形开口谐振环金属线复合周期结构左手材料.仿真研究了以金属铜三角谐振环和三矩形谐振环（SRRs）为基本单元的周期结构负磁导率材料,结果显示两种谐振环均能产生很好的谐振效果,即能产生负磁导率;设计、制作并实验和仿真研究了三角谐振环和三矩形谐振环金属线复合周期结构左手材料,实验结果分别在9.5—13.3GHz和9.8—12.5GHz出现良好的负折射效应,与仿真结果具有较好的一致性.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和应用前景. 关键词： 左手材料 负折射 三角形谐振环 三矩形谐振环     

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     

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.     

Enhanced Kerr nonlinearity in a left-handed three-level atomic system driven by a bichromatic field

Enhanced Kerr nonlinearity in a left-handed atomic system consisting of three levels driven by a bichromatic field is presented in this paper.Based on bichromatic field coherence,the real parts of the permittivity and permeability can obtain negative values simultaneously in the same detuning frequency region.By adjusting the frequency difference and the Rabi frequencies of the bichromatic field,the multi-band left-handed behavior of the presented atomic metamaterial is exhibited.Meanwhile,the enhanced Kerr nonlinearity can be realized in this multi-band left-handed three-level atomic system.It is shown that the third-order susceptibility possesses focusing or defocusing properties in the same frequency band.     

十字环型左手材料单元结构设计与仿真

提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.8-6.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.     

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     

All-dielectric left-handed metamaterial based on dielectric resonator: design, simulation and experiment

Dipoles with Lorentz-type resonant electromagnetic responses can realise negative effective parameters in their negative resonant region. The electric dipole and magnetic dipole can realise, respectively, negative permittivity and negative permeability, so both the field distribution forms of electric and magnetic dipoles are fundamentals in designing left-handed metamaterial. Based on this principle, this paper studies the field distribution in high-permittivity dielectric materials. The field distributions at different resonant modes are analysed based on the dielectric resonator theory. The origination and influence factors of the electric and magnetic dipoles are confirmed. Numerical simulations indicate that by combining dielectric cubes with different sizes, the electric resonance frequency and magnetic resonance frequency can be superposed. Finally, experiments are carried out to verify the feasibility of all-dielectric left-handed metamaterial composed by this means.     

An improved fishnet three-dimensional metamaterial with multiband left-handed characteristics at terahertz frequencies

We present the design of a multiband left-handed three-dimensional (3D) metamaterial based on improved fishnet structure at terahertz frequencies. The design realizes a three-dimensional material by mechanical stacking of multiple layers. The electromagnetic properties of the metamaterial have been investigated by numerical simulation. The results show that simultaneously negative values of permittivity, permeability and refractive index are found around the frequencies of 0.73, 0.85 and 1.12 THz for the electromagnetic wave normal incidence. The proposed metamaterial with independent polarization and compact effect offers a way to develop THz 3D materials and devices suitable for multifrequencies.     

1.7—2.7GHz宽频带小单元异向介质设计及其介质参数提取

提出一种单元电尺寸小、工作频带宽、损耗小、结构简单的异向介质设计方案，在1.7—2.7 GHz上所设计的异向介质结构单元电尺寸小于0.035，相对带宽达到45.5%，在整个工作频带上单个结构单元传输损耗小于0.75 dB.对由上述异向介质单元构成的半无限大异向介质平板的电磁波反射、透射特性进行了数值仿真分析，并提取出了电磁波在该异向介质平板中传播时的波数、相速、折射率以及该异向介质平板的有效介电常数和有效磁导率等一系列电磁特性参数，仿真与计算结果表明复波数的实部、相速以及折射率的实部在1.7—2.7 GHz的范围上为负值，并且在相同频带上，有效介电常数和有效磁导率的实部同时为负值，从而有效地验证了“后向行波效应”、“负折射效应”、“双负效应”等异向介质特有的电磁特性，对上述异向介质的存在性给予有力证明. 关键词： 异向介质 宽频带 小单元 介质参数     

Numerical simulations of negative-index refraction in a lamellar composite with alternating single negative layers

Negative-index refraction is demonstrated in a lamellar composite with epsilon-negative (ENG) and mu-negative (MNG) materials stacked alternatively. Based on the effective medium approximation, simultaneously negative effective permittivity and permeability of such a lamellar composite are obtained theoretically and further proven by full-wave simulations. Consequently, the renowned left-handed metamaterial comprising split ring resonators and wires is interpreted as an analogy of such ENG--MNG layers. In addition, beyond the effective medium approximation, the propagating field squeezed near the ENG/MNG interface is demonstrated to be left-handed surface waves with backward phase velocity.     

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     

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.