利用集总LC元件实现频率选择表面极化分离的特性

基于电磁局域谐振的路谐振理论, 将集总LC器件加载到工字形周期阵列中, 设计了一种新型频率选择表面极化分离结构. 利用等效电路法分析了不同极化时该结构的作用机制, 并采用全波分析法研究了极化方式、入射角度和集总参数对其传输特性的影响.结果表明: 所设计的结构在6.37 GHz附近具有良好的极化分离特性; 在0°–40°扫描范围内, 横电(TE) 和横磁(TM) 极化下结构传输特性均保持稳定; 通过调控集总元件LC值, 该结构在保持 TE极化方向传输特性不变的同时, 可以实现对TM传输特性的独立调节, 使设计更加灵活.该结构为极化分离器以及极化波产生器的设计提供了借鉴. 关键词： 频率选择表面 极化分离器 集总电容 集总电感     

双向多频超材料吸波器的设计与实验研究

利用金属线单元组合法, 仿真设计并制作了一种在通信频段(0.8-3GHz)的双向多频超材料吸波器. 仿真与实验结果表明: 该吸波器对于不同极化和宽角度入射的电磁波有三个稳定的吸波频点, 分布在2.04GHz, 2.34GHz和2.65GHz, 吸收率分别达到92.3%, 95.3%和94.7%. 该吸波器设计简单、灵活性强、吸收效果好、易于加工, 为通信领域的电磁屏蔽或抗电磁干扰提供了新的方法. 关键词： 超材料 双向多频吸收 极化不敏感 宽角度入射     

基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化极化不敏感超材料吸波体

设计、仿真并实验验证了基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化超材料吸波体. 实验测试结果表明, 该超材料吸波体在1.39 GHz吸收率达到最大为98%, 其单元尺寸和总厚度均为6.8 mm, 约为1/32工作波长, 实现小型化窄带吸波. 由于吸波体中螺旋结构是旋转对称排列的, 因而其对垂直入射电磁波的极化方向是不敏感的. 此外, 该超材料吸波体对斜入射横电和横磁极化电磁波在60°时, 仍具有强吸收. 关键词： 超材料 吸波体 小型化     

具有极化选择特性的超材料频率选择表面的设计

基于超材料结构的设计理论,通过长金属线周期阵列和具有Lorentz谐振形式等效介电常数的金属短线的组合可频率选通特性.由不同周期排布和结构尺寸的长金属线和金属短线组合而成的频率选择表面具有不同频段的选通特性.文章提出了双层及单面两种具有极化选择特性的频率选择表面,两种结构均可实现对特定频段TE及TM波选通.具有极化选择特性的超材料频率选择表面的设计为极化滤波器以及极化波产生器的设计提供了借鉴. 关键词： 频率选择表面 超材料 极化选择     

极化无关双向吸收超材料吸波体的仿真与实验验证

设计并制作出极化无关双向吸收超材料吸波体.仿真结果表明,该吸波体对斜入射横电极化和横磁极化电磁波具有较好的吸收效果,其强损耗主要来自介质基板的介电损耗.实验测试结果表明,该吸波体在11.1 GHz对垂直入射电磁波实现双向强吸收,吸收率分别为95.9％和90.8％.该吸波体厚度较薄,工作波长约为1/34.该超材料吸波体具有吸收率高、厚度薄、设计简单、易于加工等优点.     

宽带透射吸收极化无关超材料吸波体

提出了一种新的基于磁性吸波体材料的具有低频透射和高频宽带吸收特性的超材料吸波体.该超材料吸波体在1 GHz的透射系数为-0.5 dB,具有较好的低频透射特性,可以实现对低频信号的相互通信;在频率大于8.4 GHz的频段,吸收率均大于80%,基本覆盖整个X波段和Ku波段,实现高频宽带吸收.此外,由于该超材料吸波体的单元金属周期结构具有较好的四重旋转对称性,因而是极化无关的.该透射吸收超材料吸波体设计简单,实用性强,具有较强的潜在应用价值.     

基于液晶的广角太赫兹可调谐超表面吸波器

提出了一种结构简单的广角稳定太赫兹可调谐超表面吸波器,利用液晶材料电可调谐的性质,实现超表面吸波器吸收频率的调谐。利用液晶材料介电常数张量进行材料建模,模拟了液晶材料的各向异性特性。为了提高设计效率,得到良好的吸波性能和可调谐性能,利用粒子群算法对超表面吸波器单元结构进行了逆向设计;并对设计的超表面吸波器特性进行研究。结果表明,利用粒子群算法可以高效地逆向设计出性能良好超表面吸波器,当对吸波器施加的电压在0～10 V范围内连续调谐时,实现了TE模式吸波频率在404.4～444.4 GHz范围内连续可调谐,频率可调谐性为9%,吸收率大于99%;TM模式吸波频率在404.4～425.4 GHz范围内连续可调谐,频率可调谐性为4.64%,吸收率大于99%;当斜入射角度为60°时,吸收率仍大于94%,具有大角度入射稳定性和吸收频率稳定性。本文设计的太赫兹超表面吸波器具备高吸收率、大频率可调谐性、广角稳定性和低控制电压等优点,具有广泛的应用价值。     

对电磁波极化不敏感超材料吸波体的研究

设计了一个在微波频段对极化不敏感的超材料吸波体。该超材料微观单元由4个互相垂直的电谐振环和短导线构成,这种结构克服了Landy提出的结构对电磁波极化敏感的缺点,对垂直极化和水平极化电磁波都有很好的吸收效果。采用数值仿真方法,在12-180Hz波段提取了这种超材料的S参数,计算了其吸波率。单层超材料吸波体在14GHz处达到吸波峰,吸波率达57．4％;多层组合吸波体在150Hz处吸波率峰值达到87．6％。     

基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体

仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景. 关键词： 极化无关 透射吸收 超材料吸波体     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25～35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86％,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25～35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9％,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

基于一维金属-介质周期结构的偏振分束

分析了一维金属一介质周期结构的能带特性,根据一定频率范围内TM波(磁场方向与界面平行)在结构中的负折射以及TE波的正常折射,提出了一种偏振分束器件.利用传输矩阵法(TMM)模拟了该结构对入射高斯光束的偏振分束作用,讨论了不同入射角度下的偏振分束能力,并结合实际金属参量,分析了金属层吸收对结构特性的影响.结果表明该结构在55°附近入射时有最好的性能;在吸收作用下结构偏振分束能力有一定的减小,TM波透射比发生了较大变化,TE波效果较好;随着周期数增加,结构透射比下降,但分光能力显著提高;在工作波段上随着波长增大,金属层吸收对器件的影响减弱.该结构能实现宽波段、宽角度、较高透射比的偏振分束.     

基于科赫分形的新型超材料双频吸收器

本文提出了一种基于科赫(Koch)分形结构的新型超材料双频吸收器,其由二阶科赫分形阵列、介质层和金属背板三部分组成.通过利用分形结构的空间填充性,其单元尺寸在相同吸收频率下相对于具有正方形谐振结构的传统吸收器有近17.5%的尺寸缩减.与传统实现多频工作的组合法、层叠法不同,该型吸收器的双频特性来源于科赫分形曲线在电磁波激励下呈现出的两种不同的谐振模式.而且由于结构上具有旋转对称性,该型吸收器对入射波的极化方向不敏感,在横电波、横磁波大角度入射时仍能保持较高的吸收率.文中采用等效介质理论对该型吸收器进行了分析,测量结果与仿真结果取得了较好的一致性.     

一种宽带可重构反射型极化旋转表面

将超材料设计思想与微电机系统（micro-electro-mechanical system,MEMS）技术相结合,提出了一种宽带可重构反射型极化旋转表面.该结构由上层方形金属贴片、中间介质层、金属底板以及连接贴片与底板的金属通孔构成,通过在电流短路点处加载MEMS开关,使其具有电可调特性.仿真结果表明,当MEMS开关导通时,该结构能在7.78 GHz–14.10 GHz频带内将入射的线极化波转化为正交极化波并反射;当MEMS开关断开时,入射波则以同极化全反射.加工了实际的样品并进行了测试,结果与仿真符合较好.该结构具有结构简单易加工、器件个数少、工作频带宽、损耗低等优点,在电磁波动态调控中具有潜在应用价值.     

一种宽频带超材料吸波体的设计及其特性

为了获得吸收率高、吸波带宽宽的超材料,设计了一种谐振超材料吸波体.该吸波体由多个开口圆环组成,采用商业软件CST Studio Suite 2009频域求解器计算了其在25~35 GHz波段内的S参量,并计算了其吸波率A(ω),在28.4 GHz处吸收率达到86%,带宽达到3.5 GHz.利用不同吸波频段的叠加效应,设计了一种谐振超材料吸波组合体,计算了在25~35 GHz波段的S参量,在29.7 GHz处吸波率达99.9%,吸波带宽达到3.1 GHz,吸收率明显增加.将GHz波段的结构缩小1 000倍,在THz波段同样可以达到高吸收,说明超材料吸波体可以通过对结构尺寸调节改变吸收波段.同时,对其阵列进行仿真计算,发现不同的排列方式仿真结果不同.由于各个谐振环之间的相互作用对吸收效果影响较大,吸收率减小.该吸波材料由金属组成,能灵活地对介电常量和磁导率进行调节,从而实现高吸收.     

一种极化不敏感和双面吸波的手性超材料吸波体

基于手性结构设计了一种极化不敏感和双面吸波的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由手性结构和介质基板组成.仿真的电磁波正、反向入射时超材料吸波体的吸收率表明:该吸波结构的正、反面是互易的,具有双面吸波特性.仿真的不同极化角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体具有极化不敏感特性.仿真的不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体的入射角较窄.仿真的吸波体单元的表面电流和磁能密度分布表明:电、磁场之间存在交叉耦合,吸波与手性有关.仿真的不同损耗情况下超材料吸波体的吸收率表明:基板的介质损耗在吸波过程中起主导作用,金属的电阻热可以忽略不计.该超材料吸波体可能在要求双面吸波的领域中具有潜在的应用. 关键词： 极化不敏感 双面吸波 手性结构 超材料吸波体     

基于二维光子晶体的偏振选择TE/TM波功率分配器

提出了基于二维光子晶体的具有偏振选择功能的横电(TE)和横磁(TM)波三等分功率分配器,功分器结构构建于正方晶格的十字形光子晶体波导中。利用有限元法计算结构的性质,利用Nelder-Mead算法进行了参数优化。结果表明,在输入通道引入不同的偏振选择缺陷,可使功分器具有偏振选择功能。对于TE功分器,TE波能够进入并在其中传输,TM波则不能进入;对于TM功分器,情况则刚好相反。在波导的十字交叉区域引入功率控制缺陷,可使各输出端功率相等。合理选择参数,TE和TM功分器的总传输效率分别可达99.48%和95.53%。波长扫描发现两种功分器都可工作在相对较大的波长范围内。     

基于磁激元的嵌套环超材料吸波器的吸收特性

多频段超材料完美吸波器的设计在多色光学领域具有重要意义。提出一种多频段金属-绝缘层-金属超材料吸波器,其表面电磁响应单元为三圈嵌套的金属环阵列,采用时域有限差分方法计算结构单元的吸收光谱和电磁场密度分布。结果表明:该结构单元在1.44,2.28,3.25μm处分别实现了98.5%、99.6%和99.9%的吸收率,物理机理为磁激元共振激发。系统分析结构几何参数对共振的影响,通过改变金属环的直径和高度,可以对不同的共振进行独立调控。该结构单元的吸收光谱对入射光极化角度具有良好的稳健性。并进一步分析了超材料吸波器的传感特性,其最大品质因数高达8.3 RIU~(-1)(RIU为折射率单元),对应的灵敏度为1.08μm·RIU~(-1),表现出优良的红外传感性能。该吸波器可应用于传感领域,亦可为其他超材料的设计带来新启示。     

金属-电介质微盘阵列红外吸收器的光学特性分析

根据亚波长微结构的异常光谱特性,提出了一种"圆形铝盘-圆形SiO_2盘-铝衬底"的二维周期性微结构可调谐红外吸波器.利用有限元算法对其红外光谱反射性质进行了数值模拟,发现该结构对入射的TE或TM光偏振态、在0°~60°大入射角范围内具有良好的吸波效果,共振波长调谐范围4~11μm.用局域等离子体激元共振理论解释了红外吸波机理,证明了所提出的多层微盘结构具有更宽的调谐特性和更好的吸收效率.     

线极化与圆极化波均可吸收的太赫兹超表面

利用VO₂嵌入超表面设计了一种实现不同频率,且线极化和圆极化两种模式入射下均产生高效率吸收的太赫兹超表面.当VO₂为绝缘态时,设计的超表面对圆极化波的旋向产生选择性吸收,在1.30 THz处对左旋圆极化波产生的吸收率大于95%,对右旋圆极化波不吸收,圆二色性为0.85.当VO₂为金属态时,在1.95 THz处,该超表面对TE线极化入射波吸收率达到98.5%.结果表明,在线极化和圆极化波入射下,所设计的超表面结构具有良好的广角吸收性能.由于它具有形态简单、易于加工等特点,在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.     

极薄宽角度平面超材料吸波体仿真与实验验证

仿真和实验验证了厚度极薄的平面结构超材料吸波体, 该吸波体采用加载交指电容的耶路撒冷十字结构, 通过增加单元间的耦合电容显著降低了其工作频率. 测试结果表明, 该超材料吸波体在1.58 GHz, 吸收率峰值为88.48%, 其厚度为2 mm, 约为1/95工作波长, 吸波体的单元尺寸为11 mm, 约为1/17工作波长. 此外, 通过金属通孔将耶路撒冷十字结构与金属底板相连接, 使其对斜入射横电和横磁极化电磁波具有宽角度吸收特性, 在60°时依然具有较高的吸收率, 且吸收峰频率几乎不发生偏移, 从而使其更具实用价值. 关键词： 极薄 宽角度 超材料吸波体