复合介质等效电磁参数的数值研究

利用时域有限差分(FDTD)方法研究了掺杂介质材料等效电磁参数的反演方法.首先用FDTD方法计算掺杂介质的反射、透射系数,然后结合遗传算法和传播矩阵法反演不同掺杂比率的等效电磁参数,得到了等效电磁参数随掺杂比率变化的关系曲线.在复合材料的掺杂比率较低和较高时,等效电磁参数计算公式之间以及数值方法得到的结果比较一致;当掺杂比率处于中间值时,则稍有差别.结果显示用数值方法反演复合材料等效电磁参数具有可行性.     

光学超材料的制备方法与参数提取

在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要。综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程。重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的优缺点。在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法。简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数、磁导率、折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程。     

基于阻抗模拟的等效电磁参数研究

为能够较好的计算混合介质等效复介电常数和复磁导率, 提出了一种基于等效电路理论的阻抗模拟方法.导出了材料的电磁参数与材料容抗、感抗之间的对应关系, 并建立了能够较完整、精确地刻画实际复合材料的模型.通过求解混合介质的等效阻抗, 进一步反演其等效电磁参数.将计算结果与经典理论公式以及基于有限差分的数值方法进行了比较, 结果都符合得很好, 说明该方法可以用于计算材料的等效电磁参数.另外, 引入薄膜层结构来刻画表面效应等因素, 使得计算结果更加符合实验结果, 弥补了经典公式在这方面的不足, 同时也体现了该方法在刻画实际模型时所具有的优势. 关键词： 等效电磁参数 阻抗模拟 等效电路 混合介质     

基于等效介质原理的宽角超材料吸波体设计

超材料吸波体的吸波性能会受到电磁波入射角度的影响,角度不敏感的吸波材料设计一直是吸波材料设计的难点之一.本文基于等效介质原理设计了一种宽入射角超材料吸波体.超材料吸波体单元由竖直放置在理想导体(PEC)上的双面开口谐振环组成,谐振环开口处加载集总电阻R和集总电容C,其中电阻R用于调控超材料的等效电磁参数,电容C用于调控超材料的谐振频率和实现单元小型化.当TE波(横电波,电场方向与入射面垂直的平面电磁波)照射时,电阻R=4000 W, C=1.5 pF,在1.59 GHz处,本文设计的宽角超材料吸波体实现了70°内90%以上的吸波率,当入射角度达到75°,也仍然有85%以上的吸波率,并且基于等效介质原理的理论分析结果和仿真结果及测量结果都基本符合;当TM波(横磁波,磁场方向与入射面垂直的平面电磁波)照射时,电阻R=1200 W, C=1.5 pF,此时需将超材料单元旋转90°,在1.59 GHz处,本文设计的宽角超材料吸波体实现了70°内90%以上的吸波率,当入射角度达到75°,也仍然有85%以上的吸波率.测试结果基本与仿真结果符合.此外,当电容C发生改变而其余参数不改变时,本文设计的超...     

蜂窝结构吸波材料等效电磁参数和吸波特性研究

根据强扰动理论,在长波长近似条件下推导出蜂窝结构吸波材料等效介电常数和等效磁导率的计算公式.电磁参数计算结果表明,蜂窝结构吸波材料等效介电常数和等效磁导率均小于吸收层的介电常数和磁导率,但等效介电常数的降幅更大,从而使等效介电常数更接近于等效磁导率,这正是吸波材料波阻抗匹配设计所需要的.反射率计算结果表明,不同的蜂窝高度,吸收层对应一最优厚度,使蜂窝结构吸波材料的反射率最低.这些结果对于蜂窝结构吸波材料设计具有一定的意义. 关键词： 蜂窝结构吸波材料 等效介电常数 等效磁导率 反射率     

基于负微分电阻碳纳米管的太赫兹波有源超材料特性参数提取

利用碳纳米管在外加静电场下可产生常温太赫兹频段负微分电阻的特性, 提出了太赫兹波频段的有源超材料设计方法以及块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法. 对无源金属线阵进行参数提取, 证明所提出的块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法, 可以有效解决传 统参数提取中的符号与多分支选择问题. 通过对嵌入具有负微分电阻特性的碳纳米管的金属线阵进行参数提取, 发现太赫兹波有源超材料不仅具有等效介电常数虚部为负(代表电有源)的特性, 而且还具有磁性色散的特性.     

一种基于开口空心球的声学超材料

提出了一种基于局域共振的开口空心球(spilt hollow spheres,SHS)模型,数值计算和声学透射实验结果表明基于该模型的声学超材料可以实现负的弹性模量.为了说明SHS的局域共振性质,研究了微结构SHS几何尺寸(例如开口孔径d和空心球直径D)变化时材料的透射性质,结果表明SHS的几何尺寸的改变对声学超材料的透射吸收峰频率有显著影响.另外,还研究了SHS不同排列方式对透射行为的影响,发现单层样品中SHS单元数目以及晶格常数的变化不会引起谐振频率的变化,但是随着SHS单元数目或者样品 关键词： 开口空心球(SHS) 声学超材料 吸收峰 等效弹性模量     

MNZ超材料的电磁特性

主要围绕磁导率接近0的MNZ超材料,通过理论分析和数值模拟方法对MNZ材料的电磁特性进行了研究。针对线源置于二维MNZ材料内部的情况,通过理论详细分析了在MNZ材料和空气交界处的阻抗匹配特性和传播常数的连续性,基于有限元数值方法模拟验证了电磁场在MNZ材料边界处的等幅同相特性,从而实现了均匀平面波的传播特性。同时,考虑到将线源置于空气中有助于辐射出电磁能量,通过数值模拟分析了电磁波由空气入射到MNZ材料的电磁特性,发现在特定极化条件下,只能当电磁波波前与MNZ材料边界平行时,才能较好地实现阻抗匹配,从而基于MNZ材料实现新颖的辐射特性。     

导体系和无源线性网络的等效参数的一种简便算法

导出了导体系任二导体间的等效电容和导体系的电位系数之间的一个关系式,使用此式可方便地计算导体系任二导体间的等效电容．在此基础上,提出了无源线性网络任二节点间的等效参数的一种简便算法．该方法只需依据网络给出一矩阵和进行简单的矩阵运算．     

基于等效密度流体模型的地声参数分析

目前的地声参数反演多采用液态海底模型,但是实际海底为多孔弹性海底。该文在等效密度流体模型基础上,通过计算液态海底和多孔弹性海底的反射系数及传播损失,给出了等效密度流体模型和液态海底模型的等效性分析。数值仿真结果表明在低频情况下,多孔弹性海底给出的快纵波声速与等效密度流体模型给出的声速以及等效密度流体的实部与真实的海底密度基本一致。将等效密度流体模型近似看作液态海底模型进行反射系数和传播损失计算,在小掠射角和远距离时,计算结果表明与多孔弹性海底计算结果具有较好一致性,从而以此为依据确定海底为液态,进行地声参数反演。     

Retrieval of high-order susceptibilities of nonlinear metamaterials

Active metamaterials embedded with nonlinear elements are able to exhibit strong nonlinearity in microwave regime.However, existing S-parameter based parameter retrieval approaches developed for linear metamaterials do not apply in nonlinear cases. In this paper, a retrieval algorithm of high-order susceptibilities for nonlinear metamaterials is derived.Experimental demonstration shows that, by measuring the power level of each harmonic while sweeping the incident power,high-order susceptibilities of a thin-layer nonlinear metamaterial can be effectively retrieved. The proposed approach can be widely used in the research of active metamaterials.     

Elastic waves propagation in thin plate metamaterials and evidence of low frequency pseudo and local resonance bandgaps

A comprehensive numerical simulation study on elastic wave propagation for a novel engineered thin plate metamaterial structural system is presented. To enhance the accuracy of model, a mesh convergence study is validated. The wave dispersion spectra with bandgaps for three types of structures are presented. Based on local resonance phenomena, the low frequency pseudo and local resonance bandgaps are reported. Highlights are also included for the Bragg scattering induced directional bandgaps. The effects of material and geometric parameters on bandgaps are discussed. The finite element based frequency response study further validates the reported bandgaps. The conclusions provide a new perspective for designs and applications of thin plate metamaterials for subwavelength wave manipulation including seismic shielding of civil infrastructures.     

Acoustic metamaterials for sound mitigation

We provide theoretical and numerical analyses of the behavior of a plate-type acoustic metamaterial considered in an air-borne sound environment in view of sound mitigation application. Two configurations of plate are studied, a spring-mass one and a pillar system-based one. The acoustic performances of the considered systems are investigated with different approaches and show that a high sound transmission loss (STL) up to 82 dB is reached with a metamaterial plate with a thickness of 0.5 mm. The physical understanding of the acoustic behavior of the metamaterial partition is discussed based on both air-borne and structure-borne approaches. Confrontation between the STL, the band structure, the displacement fields and the effective mass density of the plate metamaterial is made to have a complete physical understanding of the different mechanisms involved.     

Guided mode resonance in planar metamaterials consisting of two ring resonators with different sizes

We proposed and experimentally investigated a two-ring-resonator composed planar hybrid metamaterial(MM), in which the spectra of guided mode resonance(GMR) and Fano resonance or EIT-like response induced by coherent interaction between MM resonance and GMR can be easily controlled by the size of the two rings in the terahertz regime.Furthermore, a four-ring-resonator composed MM for polarization-insensitive GMRs was demonstrated, where GMRs of both TE and TM modes are physically attributed to the diffraction coupling by two ±45° tilting gratings. Such kind of device has great potential in ultra-sensitive label-free sensors, filters, or slow light based devices.     

New assembly route for three-dimensional metamaterials obtained through effective medium theory

In this study,we illustrate the effective medium theories in the designs of three-dimensional composite metamaterials of both negative permittivity and negative permeability.The proposed metamaterial consists of random coated spheres with sizes smaller compared to the wavelength embedded in a dielectric host.Simple design rules and formulas following the effective medium models are numerically and analytically presented.We demonstrate that the revised Maxwell-Garnett effective medium theory enables us to design three-dimensional composite metamaterials through the assembly of coated spheres which are random and much smaller than the wavelength of the light.The proposed approach allows for the precise control of the permittivity and the permeability and guides a facile,flexible,and versatile way for the fabrication of composite metamaterials.     

磁电超材料折射率特性分析

基于麦克斯韦旋度方程, 将磁电超材料板中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过计算这些周期性面电流和面磁流在某个磁电超材料板上产生的总电场和总磁场, 获得了关于面磁流密度和面电流密度的两个方程, 进而推导出了周期性磁电超材料折射率与磁元件的磁导率、 电元件的介电常数和空间色散项之间关系的解析公式. 与传统的折射率计算公式不同, 该解析公式充分考虑到了空间色散以及磁电超材料的电元件和磁元件的相互作用. 折射率理论曲线和基于仿真实验数据的提取值曲线能很好地符合, 这说明文中推导的折射率公式能够正确地描述磁电超材料的负折射特性. 本文的结果将为分析电磁元件之间的相互作用以及设计负折射率符合一定要求的磁电超材料提供重要的理论参考. 关键词： 磁电超材料 周期性结构 负折射率     

磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计

用磁谐振器和电谐振器组合构成左手材料是设计左手材料的一个重要方法.基于这一设计方法,提出了能够抑制双各向异性的磁谐振器和电谐振器设计原理,即单回路镜像对称设计原理和双(四)回路镜像对称设计原理.根据这两个设计原理,设计了具有双负特性(负介电常数和负磁导率)的新结构,并通过实验仿真验证了结构的双负特性,从而验证了两种设计原理的正确性.所提出的两个设计原理以及新结构对于设计新型左手材料具有重要的实际意义和指导意义. 关键词： 左手材料 单回路镜像对称 双回路镜像对称     

用Kramers-Kronig关系求出反射镜的相位色散

光学元件相位色散在超短光脉冲的产生和传播中起着重要的作用,本文提出运用Kramers-Kronig关系,从反射谱直接求出反射镜的相位色散.文中对此法作了分析并以多层介质膜和铝膜反射镜为例子进行了讨论.     

声学超材料对低频噪声的消声特性

针对低频噪声较难消除的问题,设计了亥姆霍兹共振腔与声学超材料薄膜耦合的消声结构,在利用有限元软件进行屈曲分析薄膜的临界状态得知声学超材料薄膜结构临界失稳力为0.087 N·m,利用COMSOL声固耦合模块研究薄膜形态对传递损失峰值频率的影响。结果表明:薄膜扭转角度由0°增加到30°时,薄膜总体刚度增加,传递损失峰值对应频率向右偏移了30 Hz,变化并不明显。为了扩大频率偏移范围,在扭转30°的基础上,对扭矩棒施加垂直向下的压力,压力由0 kPa增加到2 kPa,薄膜预应力增大,系统刚度增加,使得传递损失峰值向右偏移了170 Hz。最后搭建实验平台,验证了薄膜在扭转时的频率偏移与仿真基本吻合,在不同压力时频率偏移一致,进而可以实现较大范围的低频率噪声控制。为声学超材料的设计和控制提供有效的依据。