异向介质研究进展

介绍了异向介质的研究进展,其中包括基本理论的深化研究,介质新电磁特性的研究,一些新型结构的设计、仿真、实验、制作方法及其各自的优缺点,以及在波导、天线、微波器件等各个领域的应用.     

C波段平面异向介质设计及其后向波特性验证

提出了一种工作在C波段的新型平面结构异向介质，它除了带宽宽和损耗小外，还具有体积小、结构简单的优点，而且能够实现工作频段的平移，频率平移范围为4—20 GHz.基于电磁波由自由空间入射半无限大异向介质平板的传输和反射数据，计算出了电波在其中传播时的相速随频率的变化曲线，结果表明所讨论的异向介质确实在预想的频段上表现出后向波特性；同时利用相位观察法进一步验证了上述的后向波特性，从而肯定了异向介质的存在. 关键词： 异向介质 宽频带 小单元 后向波特性     

异向介质材料的非线性研究进展

异向介质材料是由人工设计构造的、具有特异电磁特性的材料。其中同时具有负的介电常数ε及磁导率μ的称为左手材料或双负材料;仅有负的介电常数ε或负的磁导率口的称为单负材料。本文介绍了实现异向介质材料及其非线性特性的方法,重点综述了异向介质材料中SH产生、光孤子传输、波混频效应等方面的研究进展。     

异向介质材料的非线性研究进展

异向介质材料是由人工设计构造的、具有特异电磁特性的材料。其中同时具有负的介电常数ε及磁导率μ的称为左手材料或双负材料;仅有负的介电常数ε或负的磁导率μ的称为单负材料。本文介绍了实现异向介质材料及其非线性特性的方法,重点综述了异向介质材料中SH产生、光孤子传输、波混频效应等方面的研究进展。     

二维各向同性异向介质负折射特性仿真验证

提出了一种工作在C波段的二维各向同性异向介质，相比于以往的二维异向介质，它除了具有二维各向同性的优点外，还具有带宽更宽，单元结构的尺寸更小，构造也更简单的特点.通过分别仿真验证异向介质的双负特性和负折射特性最终肯定上述异向介质的存在. 关键词： 各向同性异向介质 宽频带 小单元 双负特性     

人工异向介质调控电磁波极化特性的实验与仿真研究

电磁波的极化特性在通信、导航和雷达等方面已逐渐得到应用.为了有效控制电磁波的极化状态, 本文设计了一种基于开口环结构的人工异向介质.该人工异向介质由开口环结构,电介质基底和金属背板组成, 可以将入射的线性极化波完整地转换为圆极化波,椭圆极化波以及和入射波极化方向垂直的线极化波. 本文通过实验和仿真验证了本文的设计,实验结果和仿真结果符合较好.     

1.7—2.7GHz宽频带小单元异向介质设计及其介质参数提取

提出一种单元电尺寸小、工作频带宽、损耗小、结构简单的异向介质设计方案，在1.7—2.7 GHz上所设计的异向介质结构单元电尺寸小于0.035，相对带宽达到45.5%，在整个工作频带上单个结构单元传输损耗小于0.75 dB.对由上述异向介质单元构成的半无限大异向介质平板的电磁波反射、透射特性进行了数值仿真分析，并提取出了电磁波在该异向介质平板中传播时的波数、相速、折射率以及该异向介质平板的有效介电常数和有效磁导率等一系列电磁特性参数，仿真与计算结果表明复波数的实部、相速以及折射率的实部在1.7—2.7 GHz的范围上为负值，并且在相同频带上，有效介电常数和有效磁导率的实部同时为负值，从而有效地验证了“后向行波效应”、“负折射效应”、“双负效应”等异向介质特有的电磁特性，对上述异向介质的存在性给予有力证明. 关键词： 异向介质 宽频带 小单元 介质参数     

双通带异向平板波导的特性

提出了一种基于平板波导的新型异向谐振结构——交叉椅型谐振结构,通过理论分析和数值计算,说明和验证了单个交叉椅型谐振结构加载的平板波导具有双通带特性和异向特性;设计了一种由多个交叉椅型谐振结构周期加载的异向平板波导结构,并通过仿真实验验证了其负折射特性。交叉椅型谐振结构的全金属半封闭式结构和其特殊的电磁谐振方式,使得此类2维异向平板波导与传统的由金属开口谐振环与金属线正交阵列而成的2维异向介质相比,具有双通带、无介质损耗、功率容量大等特异性质;单个交叉椅型谐振结构加载的平板波导作为一种新型的滤波器结构,具有良好的双通带特性,尺寸较小。     

饱和非线性正折射异向介质中的调制不稳定性

直接从异向介质中包含饱和非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的非线性扩展传输方程出发,采用线性稳定性分析法,导出了调制不稳定性的色散关系、不稳定条件、无量纲的临界扰动频率和增益谱。计算和讨论了异向介质正折射区无量纲的增益谱随归一化角频率和入射功率密度的变化关系。结果表明,在异向介质正折射区,随归一化角频率和入射功率密度的不同,增益谱将会出现扰动频率大于零、扰动频率大于某个非零临界值、扰动频率大于零而小于某个非零临界值3种形式。在归一化角频率较小时,调制不稳定性可能出现阈值入射功率密度;且在较小的入射功率密度时,调制不稳定性只能出现在大于某个临界频率时。     

A novel structure for a broadband left-handed metamaterial

A low absorptivity broadband negative refractive index metamaterial with a multi-gap split-ring and metallic cross (MSMC) structure is proposed and investigated numerically and experimentally in the microwave frequency range. The effective media parameters were retrieved from the numerical and experimental results, which clearly show that there exists a very wide frequency band where the permittivity and permeability are negative. The influence of the structure parameters on the magnetic response and the cut-off frequency of the negative permittivity are studied in detail. This metamaterial would have potential application in designing broadband microwave devices.     

A novel structure for broadband left-handed metamaterial

A low absorptivity broadband negative refractive index metamaterial with multi-gap split-ring and metallic cross (MSMC) structure is proposed and investigated numerically and experimentally in the microwave frequency range. From the numerical and experimental results, the effective media parameters were retrieved, which clearly show that there exists a very wide frequency band where the permittivity and permeability are negative. The influence of the structure parameters on the magnetic response and the cut-off frequency of the negative permittivity are studied in detail. This metamaterial would have potential application in designing broadband microwave devices.     

同时实现介电常数和磁导率为负的H型结构单元左手材料

基于用一种结构同时实现材料介电常数和磁导率为负的思想，提出了H型结构单元左手材料模型.采用矩形波导法测试表明，H型结构单元在微波频率范围出现左手透射峰，并且可以由参数t对左手特性区域进行调控.同时利用相位法、棱镜折射法和散射参量法从实验和理论证明了在左手透射峰区域材料的折射率为负值，介电常数和磁导率亦同时为负.相对由金属开口谐振环与金属线两种结构组合实现的左手材料，H型结构集磁谐振与电谐振于一体，结构简单、制备方便，对微波器件左手材料表现出更多的优越性.     

基于双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振腔研究

通过探讨双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振特性,实现了一种能够同时缩小长度和宽度的改进的小型化谐振腔(IMCR). 对IMCR谐振特性进行了数值仿真,结果表明,IMCR能够在10.3GHz上稳定谐振,但其长度和宽度却分别只有4.58和5.08mm,相比于普通金属谐振腔的长度和宽度均缩短了一半. 这些结果对基于双负介质的小型化谐振腔的发展具有理论意义. 关键词： 双负介质 负介电常数介质 改进的小型化谐振腔 各向异性     

Design and experimental verification of a dual-band metamaterial filter

In this paper, we present the design, simulation, and experimental verification of a dual-band free-standing metamaterial filter operating in a frequency range of 1 THz–30 THz. The proposed structure consists of periodically arranged composite air holes, and exhibits two broad and flat transmission bands. To clarify the effects of the structural parameters on both resonant transmission bands, three sets of experiments are performed. The first resonant transmission band shows a shift towards higher frequency when the side width w_1 of the main air hole is increased. In contrast, the second resonant transmission band displays a shift towards lower frequency when the side width w_2 of the sub-holes is increased, while the first resonant transmission band is unchanged. The measured results indicate that these resonant bands can be modulated individually by simply optimizing the relevant structural parameters(w_1 or w_2) for the required band. In addition, these resonant bands merge into a single resonant band with a bandwidth of 7.7 THz when w_1 and w_2 are optimized simultaneously. The structure proposed in this paper adopts different resonant mechanisms for transmission at different frequencies and thus offers a method to achieve a dual-band and low-loss filter.     

Numerical simulations of negative-index refraction in a lamellar composite with alternating single negative layers

Negative-index refraction is demonstrated in a lamellar composite with epsilon-negative (ENG) and mu-negative (MNG) materials stacked alternatively. Based on the effective medium approximation, simultaneously negative effective permittivity and permeability of such a lamellar composite are obtained theoretically and further proven by full-wave simulations. Consequently, the renowned left-handed metamaterial comprising split ring resonators and wires is interpreted as an analogy of such ENG--MNG layers. In addition, beyond the effective medium approximation, the propagating field squeezed near the ENG/MNG interface is demonstrated to be left-handed surface waves with backward phase velocity.     

基于三角谐振环的新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料性质研究

通过实验及仿真研究了三角谐振环组合新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料.仿真研究了以金属铜三角开口谐振环（SRRs）为基本单元的周期结构负磁导率材料,与闭口环（CSRRs）结果对比发现三角开口谐振环能产生很好的谐振效果即能产生负磁导率,并且多层单元仿真发现多个谐振环耦合能提高谐振频率并加宽谐振频段;设计、制作并实验和仿真研究了三角开口环为基本单元的六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料,仿真结果在98GHz附近出现良好负折射效应,实验验证在93—108 GHz出现良好负折射效应,与仿真结果具有良好的一致性.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和应用前景. 关键词： 左手材料 三角环组成的六边形谐振环 负折射     

Tunable zeroth-order resonator based on a ferrite metamaterial structure

This paper proposes a tunable zeroth-order resonator on a composite right/left-handed transmission line consisting of a transversely magnetized ferrite substrate periodically loaded by microstrip inductors. Based on the propagation theory of edge guided modes, the analysis procedure of this structure is introduced. The numerical results demonstrate the tunability of the resonant frequency by changing the DC bias magnetic field applied to the ferrite. In contrast to previous work, the proposed structure is easy to design and fabricate and does not require a chip component.     

左手材料与非线性光学材料界面处的内光学双稳态

从理论及数值上研究了左手材料与传统非线性材料界面处的电磁波性质。发现在界面处出现一种新的现象——光学双稳态。入射光强、入射角以及左手材料与非线性材料的磁导率比值强烈的影响光学双稳态的行为。比较了不同的电磁模式对双稳态行为的影响。结果表明在相同的参数下，TE模式比TM模式更容易获得光学双稳态。     

新型负模量声学超结构的低频宽带机理研究

提出了一种具有负模量特性的新型声学超结构,并揭示了其低频带隙的形成及拓宽机理.通过理论推导给出了该新型结构的归一化有效模量表达式,由于有效模量的零值点与系统参数密切相关,可以调节合适的参数使得零值点降低或带隙下界降低,进一步实现低频带隙.理论结果表明,在一定的频率范围内,系统的弹性模量为负且负模量区域进一步拓宽,从而通过负模量区域的放大而拓宽带隙.这种新的实现低频带隙的方法克服了传统局域共振附加质量过大及惯性放大结构带隙较窄的缺点.同时,通过有限元法得到的周期结构的传输率随着结构参数的变化趋势与理论分析的变化趋势基本一致,并得到了约40—180 Hz的低频宽带.这种实现低频带隙的新思路对低频声波的控制具有很重要的理论指导意义.