基于互补屏的极化分离结构设计研究

以互补频率选择表面 (CFSS)结构的强耦合作用为基础, 设计一种具有极化分离作用的频率选择表面 (PSS), 当容性表面与感性表面沿周期排布方向具有横向位移时, CFSS成为具有TM带通、TE带阻的极化分离结构. 建立等效电路模型分析PSS结构极化分离原理, 采用耦合积分方程法计算极化分离结构的传输特性以及容性表面和感性表面的电场分布. 理论分析与实验测试结果均表明: PSS具有良好的极化分离特性和角度稳定性, 为极化波产生器和极化分离结构的设计提供借鉴. 关键词： 频率选择表面 极化选择 互补屏频率选择表面     

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     

具备多模式可切换功能的超材料结构

提出了一种新型的多功能超材料滤波器/屏蔽器,其具有双频段极化独立控制、多模式可切换等特点。与传统器件不同的是,所提出的设计能够独立控制横电（TE）或横磁（TM）极化波在不同频段的透射和反射,并且通过设置不同的二极管偏置电压,可以实现4种不同的工作模式。该结构基于等效电路模型,采用多层滤波结构设计,通过在顶层和底层加载PIN二极管实现TE和TM极化波在低频段和高频段的独立控制。在传输模式下,TE和TM波分别在3.6 GHz和4.6 GHz附近得以传输;在屏蔽模式下,该结构可以有效地阻挡入射极化波。每种模式都有非常稳定的工作状态,不会受到其他工作模式的影响。此外,该设计在0°～45°入射范围内具有良好的角度稳定性。这种多模式超材料结构可以应用于天线罩等领域,天线传输信号时能满足对特定极化信号的需求,待机时可以屏蔽信号以减少干扰。     

利用等效电路模型快速分析加载集总元件的微型化频率选择表面

为了提高频率选择表面(FSS)设计优化速度, 利用等效电路方法对基于集总元件加载的微型化FSS结构进行了分析. 根据FSS物理结构建立了相应的等效电路模型, 通过ADS软件对全波分析曲线进行拟合提取了等效电路模型参数, 通过延长曲线范围增加极值点个数提高拟合参数精度. 利用所提取的等效电路参数计算了不同LC 参数下FSS的传输特性, 与全波分析精确结果相对比, 电路模型计算的透过率略高, 中心频点及-3 dB带宽与全波分析结果的相对误差均小于10%. 证明了利用等效电路模型分析复杂FSS结构的可行性, 为FSS设计和快速优化提供了参考. 关键词： 频率选择表面 等效电路 集总元件     

基于光子晶体自准直效应的太赫兹偏振分束器设计

提出了一种新型、紧凑的光子晶体太赫兹(THz)偏振分束器,利用自准直效应实现横电(TE)模和横磁(TM)模的无衍射传输,利用禁带特性实现TE模和TM模的分离。基于平面波展开法和时域有限差分法对太赫兹偏振分束器的性质进行仿真建模分析,结果表明,该偏振分束器在2.9~3.01THz频率范围内可实现偏振分离;频率为3THz时,TE模的反射率和TM模的透射率均高于90%,TE模和TM模的消光比分别高达19.9dB和26.24dB。此外,与以往的光子晶体太赫兹偏振分束器相比,所提出的偏振分束器设计简单,更易于实现(无需引入缺陷),尺寸更微小(650μm×650μm),带宽更宽(2.9~3.01THz)。     

基于自准直效应的光子晶体异质结偏振分束器

基于光子晶体的自准直效应和禁带特性,提出了一种具有非正交异质结结构的光子晶体偏振分束器.无需引入缺陷或波导,可使光波在该结构中准直无发散地传输并实现分束功能,对制造工艺的要求大大降低.利用Rsoft软件,结合平面波展开法和二维时域有限差分法,对提出的偏振分束器进行了仿真研究.结果表明,该偏振分束器在一个较大的频率范围f=0.275—0.285(a/λ)内可实现横电(TE)和横磁(TM)模的大角度偏振分离,TE和TM模的透过率均在88%以上,偏振消光比分别大于26.57 dB和17.50 dB.该结构可应用到太赫兹波段的传输系统中,a=26μm,尺寸大小为572μm×546μm,在91—95μm波长范围内可实现TE和TM模的分离.利用该结构可设计用于光通信系统(n=3.48)的偏振分束器,a=426.25 nm,结构仅为9.38μm×8.95μm.本方案结构简单,易于集成,有望在集成光路的发展中发挥重要作用.     

可实现宽频带光波非对称传输的自准直效应光子晶体异质结构

利用光子晶体的自准直效应和能带特性,设计了一种能实现宽频带光波非对称传输的二维光子晶体异质结构.该结构实现宽频带、高正向透射、非偏振选择的非对称传输.横电(transverse electric, TE)偏振光非对称传输波长带宽可达532 nm,在光通信波长1550 nm处正向透射率和透射对比度分别可达0.693和0.946;横磁(transverse magnetic, TM)偏振光非对称传输波长带宽为128 nm,在光通信波长1550 nm处正向透射率和透射对比度分别可达0.513和0.972;通过进一步优化异质结界面,在TE偏振光下非对称传输波长带宽可达562 nm.     

电磁屏蔽用低频比小型化双频带频率选择表面

为满足敏感电子设备对频段密集相邻干扰信号的屏蔽需求,提出了一种低频比双频段带阻频率选择表面（FSS）结构。该结构由介质层和印刷在其两侧并谐振在不同频率的金属导带层构成。通过对两侧金属导带的互补型设计,削弱了两个谐振点间的耦合影响,使该FSS结构具有两个可以独立调节且紧密相邻的阻带,呈现出低频比特点。仿真结果表明,此结构可以实现低至1.16的谐振频率比。基于弯折结构的小型化设计使该FSS的单元尺寸仅为0.071λ,确保所提结构在TE和TM两种极化电磁波照射下,电磁屏蔽效能大于24 dB的入射角度稳定性高达60°。制作了实物并进行测试,实测结果与仿真结果吻合良好,验证了FSS结构设计的可靠性。     

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。     

一维光子晶体色散特性的研究

应用传输矩阵法研究一维光子晶体的色散特性,数值模拟得到了一维光子晶体横电(TE)模、横磁(TM)模的色散特性,研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据.     

各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

为了研究一维各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时的透射率,在透射波中发现了TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带.得出了与一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的不同点,即TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带的频率中心和频率宽度存在着较大的差异,利用这个特性可以将两种偏振光进行频率分离,为设计优质偏振滤波器提供理论依据.     

一种性能稳定的新Y形单元厚屏频率选择表面

厚屏频率选择表面(FSS) 能克服双层或多层薄屏FSS级联引起的结构复杂和中心频率透过率容易降低的不利影响, 并且在拓展FSS带宽方面具有优势, 这使其在曲面隐身雷达天线罩应用方面有潜在的价值. 但是, 当电磁波以大范围角度入射时, 中心频率可能会随入射角度的变化而漂移, 而且在大角度入射时不易实现极化稳定性. 本文针对此问题, 设计了一种新Y形单元厚屏FSS, 利用模式匹配法对此结构进行分析计算, 并研究TE, TM波入射时角度变化及大角度入射时极化变化对通带带宽、 中心频率及其透过率的影响. 仿真实验结果表明: 新Y形单元厚屏FSS的中心频率在TE, TM波入射时均能实现角度稳定性和大角度入射时的极化稳定性. 这为FSS在曲面隐身雷达天线罩上的应用提供了一种借鉴.     

Broadband non-polarizing beam splitter based on guided mode resonance effect

A broadband non-polarizing beam splitter (NPBS) operating in the telecommunication C+L band is designed by using the guided mode resonance effect of periodic silicon-on-insulator (SOI) elements. It is shown that this double layer SOI structure can provide ～50/50 beam ratio with the maximum divergences between reflection and transmission being less than 8% over the spectrum of 1.4 μm～1.7 μm and 1% in the telecommunication band for both TE and TM polarizations. The physical basis of this broadband non-polarizing property is on the simultaneous excitation of the TE and TM strong modulation waveguide modes near the designed spectrum band. Meanwhile, the electric field distributions for both TE and TM polarizations verify the resonant origin of spectrum in the periodic SOI structure. Furthermore, it is demonstrated with our calculations that the beam splitter proposed here is tolerant to the deviations of incident angle and structure parameters, which make it very easy to be fabricated with current IC technology.     

Perfect blazing with echelle gratings in TE and TM polarization

Perfect blazing with echelle gratings in a high-order Littrow mount exists not only with TM polarization, as can perhaps be assumed, but also with TE and TM polarizations simultaneously. This finding contradicts with a heuristic explanation as to why perfect blazing is not possible simultaneously in TE and TM polarizations given by Loewen and Popov [Diffraction Gratings and Applications (Marcel Dekker, 1997)]. As a matter of fact, in the ideal case of infinite conductivity, light is diffracted in the Littrow order with 100% efficiency for both polarization states. For metal gratings, a small loss occurs. Three conditions are necessary for perfect blazing: (A) the apex angle must be very close to 90°, (B) a specific Littrow order has to be used, and (C) the blaze angle has to be 4° to 6° larger than the Littrow angle. The last property is particularly intriguing because typically the difference between the two angles is smaller than 1.0°.     

基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计

本文提出了一种基于人工表面等离激元的频率选择结构的设计方法：将设计的频率选择表面和金属鱼骨结构阵列相结合得到一种新的频率选择结构.文中采用这种方法设计了一种具有陡截止和高透、高抑制性能的双通带频率选择结构.该结构由金属鱼骨结构阵列和上下两层相同的频率选择表面复合而成.通过仿真可得,该结构的两个通带频率范围分别是3.0–4.1和10.5–10.9 GHz,透射率均在-0.5 dB以上.透射率低于-10 dB的频率范围是4.7–9.2和12.1–18 GHz.在12.4–15.5 GHz频率范围内,该结构的透射率甚至低于-20 dB.在通带内,电磁波可以高效地透过该结构;在阻带内,该结构对电磁波的透射具有较好的抑制作用.测试结果表明用这种方法设计出的频率选择结构的实际性能和仿真基本一致.在金属鱼骨结构空隙中填入轻质泡沫后该结构具有一定的力学承载性能,可以实现结构功能一体化的设计.     

Lumped modeling with circuit elements for nonreciprocal magnetoelectric tunable band-pass filter

This paper presents a lumped equivalent circuit model of the nonreciprocal magnetoelectric tunable microwave bandpass filter.The reciprocal coupled-line circuit is based on the converse magnetoelectric effect of magnetoelectric composites,includes the electrical tunable equivalent factor of the piezoelectric layer,and is established by the introduced lumped elements,such as radiation capacitance,radiation inductance,and coupling inductance,according to the transmission characteristics of the electromagnetic wave and magnetostatic wave in an inverted-L-shaped microstrip line and ferrite slab.The nonreciprocal transmission property of the filter is described by the introduced T-shaped circuit containing controlled sources.Finally,the lumped equivalent circuit of a nonreciprocal magnetoelectric tunable microwave band-pass filter is given and the lumped parameters are also expressed.When the deviation angles of the ferrite slab are respectively 0° and45°,the corresponding magnetoelectric devices are respectively a reciprocal device and a nonreciprocal device.The curves of S parameter obtained by the lumped equivalent circuit model and electromagnetic simulation are in good agreement with the experimental results.When the deviation angle is between 0° and 45°,the maximum value of the S parameter predicted by the lumped equivalent circuit model is in good agreement with the experimental result.The comparison results of the paper show that the lumped equivalent circuit model is valid.Further,the effect of some key material parameters on the performance of devices is predicted by the lumped equivalent circuit model.The research can provide the theoretical basis for the design and application of nonreciprocal magnetoelectric tunable devices.     

Multichannel and omnidirectional transparency in periodic metamaterial layers

Multichannel and omnidirectional transmission can be realized in one-dimensional periodic metamaterial layers, where double-negative materials and single-negative materials are alternately stacked. The proposed structures can produce as many resonance transmission modes as desired by adjusting the number of the periods. Such transmission modes with perfect transmission are robust against incident angles and polarizations. The frequencies and frequency intervals of these modes can be tuned by changing the thicknesses of the metamaterial layers. Composite right/left-handed transmission lines with lumped elements (capacitors and inductors) were used to verify the characteristics of the considered system. Our findings provide an efficient way to select useful multiple channel signals from all directions, and it is useful in optoelectronic device applications.