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.     

基于双Σ形金属条的双向左手材料

提出了一种基于双Σ形金属条的双向型左手材料结构. 该结构由介质基板和两个反向对称放置在介质基板两侧的Σ形金属条构成, 在电磁波平行入射和垂直入射两种情况下, 都能够实现双负特性(ε<0, μ<0) . 通过利用HFSS软件仿真、等效参数提取, 分析验证了该结构在X波段具有双向特性和左手特性. 该结构的双向特性拓宽了电磁波的入射角度, 对左手材料的多维化和多向化发展提供了参考价值. 关键词： 左手材料 双Σ形金属条 双向     

平坦等频面双曲超材料的奇特电磁传输性

电磁波在媒质中的传输行为与媒质等频线的形状密切相关。双曲超材料的等频面为开放的双曲面,它支持任意大波矢的传播,将通常环境中以倏逝波形式存在的电磁波大波矢分量转换为传播场,从而实现更多奇特的电磁传输性。基于双曲线型等频面超材料,通过调节等频线的形状,制备出兼具双曲超材料和零折射率材料的新型材料,该材料不仅可以支持大波矢实现高方向性单向传输,同时可以将任意角度入射的电磁波以零角度折射,从而实现亚波长聚焦和超分辨特性。利用微波实验验证了高方向性单向传输特性、亚波长聚焦和超分辨特性,该研究为双曲超材料的理论和应用研究提供了更多的可能性。     

零折射率材料的物理与应用

零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法,然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性,包括电磁波在零折射率材料中的折射、反射特性和"隧穿"效应,掺杂杂质对二维和三维体系的零折射率材料的影响,各向异性零折射率的电磁特性,零折射率材料内外的电场分布特性;最后介绍了零折射率材料的部分典型应用,并对零折射率材料的研究进行了展望。     

折射率正负梯度交替表面的研究

利用不均匀材料提出了一种折射率正负梯度交替表面, 并利用几何光学法和电磁场数值仿真方法对其机理进行了研究与验证, 发现其可以操控电磁波的传播: 在一定的参数下, 其可以将空间中的入射电磁波一直束缚在介质中, 或在介质中传播一定距离后再实现电磁波的释放; 同时该结构具有宽带、极化无关等特性. 利用该结构可引导能流, 减小后向散射截面, 可用作隐身表面.     

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     

基于双梯形金属条的二维超材料性能分析

提出了一种基于平行金属条和细金属线的双梯形二维超材料结构单元.该结构由介质板以及其两侧放置的一对反向对称梯形金属条组成.与传统二维超材料相比,该结构在电磁波平行入射时具有双左手频带特性,在电磁波双向入射情况下具有良好的左手频带拓展性,且结构易于制备.利用电磁仿真软件分别模拟电磁波垂直入射和平行入射条件下该结构的电磁性能.结果表明:该结构在两种入射情况下均能实现双负特性;梯形上底每增大0.5mm,双入射情况下结构的双负特性分别向高频移动0.2GHz和0.4GHz.该研究对基于平行金属条的左手材料的研究以及二维左手材料的发展具有参考价值.     

基于传输线技术的零平均折射率(zero-)带隙的实验研究

基于传输线方法,制备了含左手材料和右手材料的一维光子晶体.通过仿真软件ADS的模拟和矢量网络分析仪的测量,研究了光子晶体的传输特性.实验结果表明:由左手材料和右手材料构成的一维光子晶体具有零平均折射率(zero-)带隙,这一带隙处于左手通带和右手通带之间.zero-带隙分别由零平均介电常量和零平均磁导率决定,进而对晶格尺度不敏感.     

基于传输线技术的零平均折射率(zero-n-)带隙的实验研究

基于传输线方法,制备了含左手材料和右手材料的一维光子晶体.通过仿真软件ADS的模拟和矢量网络分析仪的测量,研究了光子晶体的传输特性.实验结果表明:由左手材料和右手材料构成的一维光子晶体具有零平均折射率(zero-n-)带隙,这一带隙处于左手通带和右手通带之间.zero-n-带隙分别由零平均介电常量和零平均磁导率决定,进而对晶格尺度不敏感.     

非线性左右手媒质界面的Goos-Hänchen位移

 由均匀平面电磁波在左右手媒质界面满足的切向边界条件出发,推导了电磁波由线性传统媒质入射到非线性左手媒质时波的传播特性。利用时间延迟的方法,给出全反射情况下媒质界面非线性Goos-Hänchen位移表达式。分析了非线性左手媒质界面的侧向位移随入射角及入射波电场强度的变化关系,发现入射波场强对传输特性起决定作用:当入射波电场小于临界场强时,调节入射场强可以控制相应的侧向位移;当入射波电场大于临界场强时,不再满足全反射条件,部分入射波透射到非线性介质中。波导中加入非线性介质不仅可以调节侧向位移的大小,且可以实现对入射波场强的控制。     

A candidate three-dimensional GHz left-handed metamaterial composed of coplanar magnetic and electric resonators

GHz left-handed metamaterials (LHMs) composed of coplanar magnetic and electric resonators were proposed in this paper. On each of the unit cells, the electric resonator is placed in the center space of the magnetic resonator. By adjusting the geometrical dimensions of the resonators, negative magnetic response of the magnetic resonator and negative electric response of the electric resonator can be tuned to be coexistent at the same frequencies. The effective constitutive parameters were retrieved. The results verified simultaneous negative permeability and permittivity as well as negative index of the proposed LHMs. Based on the above work, two- and three-dimensional LHMs that make use of coplanar magnetic and electric resonators were proposed. The work done in this paper is of great reference values in fabricating three-dimensional LHMs.     

The anomalous radiation force of light on a left-handed material

This paper derives the force of the electromagnetic radiation on left-handed materials (LHMs) by a direct applica-tion of the Lorentz law of classical electrodynamics.The expressions of radiation force are given for TE-polarised and TM-polarised fields.The numerical results demonstrate that electromagnetic waves exert an inverse lateral radiation force on each edge of the beams,that is,the lateral pressure is expansive for TE-polarised beams and compressive for TM-polarised beams.The investigation of the radiation force will provide insights into the fundamental properties of LHMs and will provide to better understanding of the interaction of light with LHMs.     

Research of electromagnetic field in different length left-handed material slab

Finite-difference time-domain （FDTD） method is used to simulate the propagation of electromagnetic wave in left-handed material slab （LHMs） with cold plasma model The effects of optical propagation in the left-handed material compared to convex lens are discussed. The wider the LHMs is, the stronger electric field of focusing image in left-handed material slab is confirmed by the simulation with various slab length. However, the outer image point location would slightly moves to the LHMs side when the length of LHMs is reduced.     

Numerical Study of Low-Loss Cross Left-Handed Metamaterials at Visible Frequency

We present a numerical study of left-handed metamaterials （LHMs） composed of double cross pairs at visible frequency. The S-parameter retrieval method is adopted to confirm the negative refractive characteristic of this design. Compared with fishnet LHMs~ the proposed cross LHMs have a much lower loss, which will greatly facilitate practical applications. It is also found that, with the same size of resonant cells, the cross LHMs have a higher frequency than fishnet LHMs, which is explained using a simple effective LC circuit model.     

缺陷对左手材料负折射的调控行为

采用电路板刻蚀技术制备左手材料样品，由劈尖法分别研究了无缺陷和引入缺陷时左手材料的负折射特性.实验结果表明，引入两种点缺陷材料与无缺陷材料的功率峰值之比分别为1.035和1.256，且负折射率的绝对值分别增大了9.6%和19.6%；引入空位缺陷材料与无缺陷材料的功率峰值之比最大为1.973，最小为0.364，负折射率的绝对值最大增大了68.3%，最小增大了9.6%.缺陷的存在改变了左手材料周期性结构，形成新的电磁谐振条件，使其负折射率和功率峰值发生了变化，实现了对左手材料负折射率的调控. 关键词： 左手材料 负折射 缺陷     

基于左手材料的高增益双频带微带天线

左手材料具有平板透镜聚焦效应,突破电磁波的衍射极限实现倏逝波的放大,其覆盖于微带天线上方,可以提高天线增益。设计了一种应用于UHF和WLAN的双频微带天线,通过在接地板上刻蚀"己"字形弯折缝隙的方法实现双频谐振。为了改善微带天线低频段的增益,设计了一种新型的哑铃型结构双频段左手材料,将其作为微带天线的覆层。测试结果表明,覆层左手材料微带天线的低频段和高频段的峰值增益分别为2.1dBi和7.4dBi。     

Superpositions of Laguerre-Gaussian Beams in Strongly Nonlocal Left-handed Materials

We present beam solutions of the strongly nonlocal nonlinear Schrödinger equation in left-handed materials (LHMs). Different Laguerre-Gaussian (LG) necklace beams, such as symmetric and asymmetric single layer and multilayernecklace beams are created by the superposition of two single beams with different topological charges. Such superpositions are then propagated through LHMs, displaying linear diffraction. It is found that the superposition of two LG_nm beams with opposite topological charges does not show rotational behavior and that there exists rotation for other topological charge combinations. Our theory predicts that the accessible solitons cannot exist in LHMs.     

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.     

左手介质矩形波导导模和表面模的场分布

从麦克斯韦方程组出发,结合电磁场的边界条件,推导出介质矩形波导导模的一般色散方程.对普通介质矩形波导和左手介质矩形波导的导模场分布分别进行了数值模拟.通过对比两种介质矩形波导的导模场分布的模拟结果,发现左手介质矩形波导Ex22模的场分布比普通介质波导Ex00模的场更集中在波导中部.同时,根据处理普通介质矩形波导的Marcatili方法.类比得到左手介质矩形波导表面模的色散方程,并数值模拟了低阶模的场分布,结果表明,能量主要集中在波导的四个角区以及波导的边缘.     

零平均折射率带隙中离散模的实验研究

通过实验研究了零平均折射率带隙中离散模的传输特性.零平均折射率带隙存在于左手材料与右手材料交替形成的一维光晶体中.在实验中,左手材料与右手材料分别由左/右手复合传输线和右手复合传输线实现.实验结果表明,左手材料与右手材料的色散特性使离散模并没有按照理论上期待的"单点频"传输,而是彻底地覆盖了零平均折射率带隙.由于左手材料在本质上是色散的,因此该实验结论普遍适用于零平均折射率带隙中的离散模,即离散模的出现会使零平均折射率带隙消失.