基于双十字架型宽带低耗小单元左手材料的设计与实验验证

提出了一种利用电谐振器与磁谐振器集成于一体的单面左手介质结构设计方案, 该方案采用两个十字架型金属结构镜像并列放置在介质基板的同一侧形成一个左手单元, 并将其排列成周期结构. 软件仿真和优化提取了一系列有效电磁参数, 结果表明, 该结构在9.4–16 GHz的频率范围内等效介电常数和等效磁导率同时为负, 其相对带宽达到了52%, 并且单元电长度和损耗都小于同类型的结构. 对该结构进行了加工、制作并通过波导法测试再次证明了其优良左手特性的存在性. 为左手材料的广泛应用打下了基础.     

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.     

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.     

一种新型宽频带低损耗小单元左手材料的设计与实现

设计了一种结构简单、可在电路板单面上印刷的新型左手材料. 该结构由周期性排列的“Ⅱ”组成, 具有频带宽、损耗低、尺寸小等优点. 该材料在一定频段内具有介电常数和磁导率同时为负的特性. 仿真结果表明: 在8.79-15.57 GHz频率范围内, 折射率实部为负, 而虚部接近于零; 同时在该频段内的波阻抗实部大于零. 从而说明该材料具有左手特性, 在此基础上对该结构进行了制作、加工、并通过矩形波导法进行了验证. 同时, 该左手材料的相对带宽达到55.74%, 而最大单元损耗仅是0.27 dB, 远远优于传统的左手材料.     

基于双Z形金属条的双入射型左手材料研究

提出了一种新型二维左手材料结构单元,该结构由介质板及其两侧放置的两个反向对称的Z形金属条组成.在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下,这种结构单元于X波段均表现出左手通带特性.通过模拟仿真,提取等效电磁参数,建立等效磁谐振电路模型,分析验证了该结构的左手特性.并将双Z形结构与相似的工字形结构相比较,发现在电磁波垂直入射时两种结构均出现相似的左手通带,而在电磁波平行入射时,只有双Z形结构实现了双负特性.结果表明这种双Z形左手单元结构具有更优越的电磁波入射适应特性,即实现了双入射型左手结构单元. 关键词： 双Z形结构 二维 左手材料 双入射     

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     

方环结构的宽频可调超材料滤波器

采用微控制电路加载技术控制超材料的等效介电常数和等效磁导率在不同时间的空间分布形式,实现空间滤波器中心频率的可调.设计了一种方环缝隙结构超材料滤波器,单元结构尺寸为18.5mm×18.5mm,通过在单元结构上加载变容二极管实现X波段内的连续可调.当变容二极管电容值从0.15pF增大到0.70pF时,仿真结果表明滤波器的中心频率从11.8GHz逐渐减小到10.5GHz,工作带宽为16.3%(10.2~12.0GHz),通带内的回波损耗最小值为22dB,插入损耗最大值为0.6dB.测试结果表明滤波器的中心频率从11.7GHz逐渐减小到10.3GHz,工作带宽为17.2%(10.1~12.0GHz),且通带内的回波损耗最小值为25dB,插入损耗最大值为0.5dB.     

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.     

单方环结构左手材料微带天线

设计了一种简单的双面单方环结构左手材料,在4.8–5.25 GHz频率范围内该材料的等效介电常数和等效磁导率同时为负.将此单方环左手材料作为覆盖层,置于中心工作频率为5.0 GHz的微带天线之上. 仿真和实验研究表明:相对普通微带天线而言,覆层微带天线的性能得到了明显改善, E面和H面的半功率波束宽度分别收缩了25°和20°,定向性得到了提高, 5 GHz处的增益提高了3 dB, -10 dB带宽增加了600 MHz. 关键词： 单方环结构 左手材料 微带天线     

新型八边形谐振环金属线复合周期结构左手材料奇异性质研究

通过实验及仿真研究了基于C环的新型八边形开口谐振环金属线复合周期结构左手材料.以金属铜八边形谐振环(SRRs)为基本单元的周期结构负磁导率材料,与闭口环(CSRRs)结果对比发现八边形谐振环能产生很好的谐振效果即能产生负磁导率;复合结构仿真结果显示,八边形谐振环金属线复合结构实现负折射具有可行性.设计、制作并实验和仿真研究了两种尺寸的八边形谐振环金属线复合周期结构左手材料,实验结果显示,分别在9.8—15GHz和9.5—15GHz出现良好负折射效应,表明小尺寸材料负折射频段较宽但整体能量透过率较小.通过与尺寸相近的传统C环样品实验对比发现八边形样品损耗较大,但其负折射区域能量分布比例较大,具有一定的优越性.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,在国防、通信等领域也具有广阔的应用前景.     

基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料

本文将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合, 提出了一种基于斜三角开口对环结构的新型宽频带低耗左手材料结构. 该结构能产生两个磁谐振, 实现两个双负频段. 研究表明, 调节单元尺寸可使两个双负频段移动重合形成一个宽频带. 理论分析、仿真和测试结果均表明, 本文提出的新形结构在9.3—13.2 GHz频段同时具有负的磁导率和负的介电常数, 相对带宽34.7%, 损耗性能系数347.9, 实现了宽带低耗左手材料. 其研究结果对多频段、宽带低耗左手材料的设计具有重要的指导意义.     

一种基于共享孔径Fabry-Perot谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线

设计了一种工作于X波段的基于共享孔径Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线,并设计了三种不同尺寸的双层频率选择表面(FSS)单元,通过共享孔径布阵组成了超材料覆层.利用三种FSS单元的相位补偿特性,有效拓展了覆层天线的增益带宽.实测和仿真结果均表明,加载超材料覆层后,磁电偶极子天线在7.8—12.3 GHz内S_(11)-10 d B,相对带宽达到44.7%,覆盖整个X波段.天线增益在7.9—12.1 GHz内均有明显的提高,最大提高了7 d B.相较于传统的F-P谐振腔结构覆层天线,设计的基于共享孔径的F-P谐振型超材料覆层天线能够明显拓展天线增益带宽,在新型宽带高增益天线设计方面具有广阔的应用前景.     

Compact dielectric particles as a building block for low-loss magnetic metamaterials

We characterize experimentally a compact dielectric particle that can be used to design very low-loss artificial electromagnetic materials (metamaterials). Focusing on magnetic media, we show that the particle can behave almost identically to the well-known split-ring resonators (SRRs) widely used in present designs, without suffering from the Ohmic losses that can limit the applicability of SRRs especially at high frequencies. We experimentally compare qualitatively and quantitatively the dielectric particle with a typical split-ring resonator of the same size built on a low-loss dielectric substrate and show that at GHz frequencies the quality factor of the dielectric particle is more than 3 times bigger than that of its metallic counterpart. Low-loss and simple geometry are significant advantages compared to conventional metal SRRs.     

Broadband metamaterial absorber on a single-layer ultrathin substrate

In this article, a broadband metamaterial microwave absorber on a low-cost FR-4 Epoxy substrate is proposed. The unit cell of the absorber consists of a staircase shape metallic patch placed on the top of the metal-backed ultrathin dielectric substrate having a thickness of 1.9 mm (0.07 λ₀). The absorption of more than 90% is achieved with this proposed low profile single-layer microwave absorber throughout the operation band from 8.86 to 15.5 GHz. The performance is analyzed for different values of incident angle, polarization angle, substrate height, and dielectric constant. The surface current and the power loss density at the top and bottom planes at the two absorption peaks of 9.46 and 13.90 GHz are also analyzed to elaborate the absorption mechanism of the structure. Experimental result closely follows the simulated one. The broadband characteristics of the design with relative absorption bandwidth (RAB) of 54.51% at both TE and TM polarizations of incident wave for a wide incident angles makes it versatile for applications in the X and Ku bands of microwave frequencies. The proposed work is very compact (unit cell size: 0.22 λ₀) with ultrathin substrate height (0.07 λ₀) and giving RAB performance of 54.51% comparable with that of others. Thus with this single-layer low-cost substrate material a broadband absorber is achieved.     

Low-frequency and broadband metamaterial absorber based on lumped elements: design,characterization and experiment

In this paper, we propose and experimentally validate a low-frequency metamaterial absorber (MMA) based on lumped elements with broadband stronger absorptivity in the microwave regime. Compared with the electric resonator structure MMA, the composite MMA (CMMA) loaded with lumped elements has stronger absorptivity and nearly impedance-matched to the free space in a broadband frequency range. The simulated voltage in lumped elements and the absorbance under different substrate loss conditions indicate that incident electromagnetic wave energy is mainly transformed to electric energy in the absorption band with high efficiency and subsequently consumed by lumped resistors. Simulated surface current and power loss density distributions further clarify the mechanism underlying observed absorption. The CMMA also shows a polarization-insensitive and wide-angle strong absorption. Finally, we fabricate and measure the MMA and CMMA samples. The CMMA yields below ?10 dB reflectance from 2.85 to 5.31 GHz in the experiment, and the relative bandwidth is about 60.3 %. This low-frequency microwave absorber has potential applications in many martial fields.     

基于左手介质后向波特性的微带天线小型化研究

基于色散性稳定、频带宽、电尺寸小的左手介质结构单元，设计了一种左手介质和传统介质相结合的微带天线基板结构，利用左手介质的后向波效应对传统介质中传播后的电磁波进行相位补偿，从而实现微带天线小型化设计.理论计算和数值仿真结果表明，工作于4.7 GHz的微带天线的物理尺寸被减小了37.92%，突破了传统微带天线的半波长要求的限制，而小型化的微带天线的增益、带宽等性能方面与传统天线相当，证明了用左手介质小型化微带天线的可行性和实用性.     

Achieving a multi-band metamaterial perfect absorber via a hexagonal ring dielectric resonator

A multi-band absorber composed of high-permittivity hexagonal ring dielectric resonators and a metallic ground plate is designed in the microwave band.Near-unity absorptions around 9.785 GHz,11.525 GHz,and 12.37 GHz are observed for this metamaterial absorber.The dielectric hexagonal ring resonator is made of microwave ceramics with high permittivity and low loss.The mechanism for the near-unity absorption is investigated via the dielectric resonator theory.It is found that the absorption results from electric and magnetic resonances where enhanced electromagnetic fields are excited inside the dielectric resonator.In addition,the resonance modes of the hexagonal resonator are similar to those of standard rectangle resonators and can be used for analyzing hexagonal absorbers.Our work provides a new research method as well as a solid foundation for designing and analyzing dielectric metamaterial absorbers with complex shapes.     

THz频段单面左手材料的设计及仿真研究

本文运用等效参数提取方法验证了双线螺旋结构在不同频率处不仅能够实现负的磁导率, 而且可以实现负的介电常数. 在电磁波平行和垂直入射到双线螺旋结构表面两种情况下, 发现其负介电常数的形成机理相同. 以往的单面左手材料的研究仅仅局限于微波波段, 通过改进双线螺旋结构, 在THz频段设计出一种新型单面左手材料, 同时利用LC等效电路解释了其设计原理. 一般的左手材料是由刻蚀在基板两侧的电谐振器和磁谐振器组合而成的复合结构, 与这些复合结构相比, 这种新型单面左手材料具有低损耗, 结构简单, 易于加工等优点.