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     

基于场变换理论的大角度涡旋电磁波生成方法

场变换是一种与入射角度无关的新型电磁变换方法,可对电磁波极化和阻抗进行调控.本文提出了一种基于场变换理论的大角度入射涡旋电磁波产生方法.基于该方法设计了一种用于涡旋电磁波生成的人工媒质,并通过对其仿真验证了所提出的方法.设计的人工媒质为多层环形结构,可以透射生成2阶涡旋电磁波,并且具有较好的入射角度稳定性,在60°斜入射时仍能产生涡旋电磁波.     

基于零折射磁性特异电磁介质的波前调控

本文基于二维磁性柱周期阵列设计了具有等效零折射率的磁性特异电磁介质. 通过多重散射理论计算体系的光子能带和等效介质理论提取体系的等效电磁参量可以确定该磁性特异电磁介质可以实现等效介电常数和等效磁导率同时为零. 利用该双零磁性特异电磁介质可以实现电磁波在无相位延迟下的传输, 从而可以调控电磁波的空间相位变化. 进而, 通过设计具有不同电磁波输出界面的构型实现了高斯光束的波前由平面转变成柱面, 还可以实现高斯光束的聚焦和高斯光束的分束. 也可以根据需要设计具有更为一般的输出界面, 实现更为多样的电磁波波前的调控. 而且, 磁性材料的电磁特性可以通过温度和外加磁场进行调制, 因此该双零磁性特异电磁介质的工作频率可以灵活控制, 这更便于电磁波器件的设计和应用.     

基于超材料的椭圆形电磁波聚焦器设计

基于变换光学方法,导出了椭圆形电磁聚焦器的介电常量和磁导率的分布,并用有限元分析软件COMSOL进行了证实.仿真了椭圆形电磁聚焦器聚焦区域面积大小和电磁参量偏离理论值对其聚焦特性的影响,结果表明:聚焦区域越小,电磁聚焦越强;超材料损耗小于或等于0.01不影响聚焦特性;当椭圆形变化为圆形时,其聚焦特性与Rahm等人获得的圆形聚焦器的结果一致,证明了本文建立电磁模型的有效性.     

一种有场旋转和集中功能的新型多功能电磁器件的设计与研究

基于变换光学理论设计了一种新型的多功能电磁器件—旋转集中器.它以特殊的方式引导电磁波使其传播方向在器件核心区发生指定角度的旋转,并同时实现电磁场能量向该核心区的集中.针对提出的三种等效的旋转集中器结构,分别推导了相应的本构参数表达式,并利用有限元软件对三种结构分别进行了全波仿真.仿真结果验证了本构参数表达式的正确性.这三种不同的结构中,前两种结构由三层介质构成,后一种简化为两层介质.对于给定的任意旋转角度和能量集中率,三种结构可以使电磁场发生等效的传播方向旋转和能量集中两种效果.这些结果有助于对旋转器和集中器机理的进一步理解,并为复合功能器件的设计奠定了更充分的理论基础.本文提出的旋转集中器在设计高效率接收天线和特殊电路封装互联器件等方面都有潜在的应用前景.     

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.     

超薄电磁屏蔽光窗超材料吸波器EI北大核心CSCD

提出并验证了一种新型超薄微波超材料吸波器设计。该超材料吸波器由三层金属结构层和两层介质材料层组合而成,并采用两个相同的金属圆环作为双层复合谐振结构单元。该设计与传统的单层谐振结构单元相比,不仅大大减小了吸波器整体结构厚度,而且有效提高了电磁波吸收率。利用有限元电磁模拟对该吸波器内部的空间电磁场及表面电流分布进行仿真与分析,阐述了其电磁吸波物理机理。模拟和实验结果均证实该吸波器具有极化不敏感及宽角度入射稳定特性。该超薄超材料电磁吸波器整体结构简单,占空比低,在电磁屏蔽光窗等领域具有潜在应用。     

垂直入射条件下金属环的谐振特性

本文研究垂直入射条件下水平极化和垂直极化时金属开口谐振环(split ring resonator, SRR)的电磁响应行为. 通过分析这两种情况下的透射系数、介电常数和磁导率, 发现垂直极化时, SRR可以产生电谐振实现负介电常数, 其频段远高于磁谐振频段; 水平极化时, SRR只能产生磁谐振实现负磁导率, 其频段与水平入射时的SRR的磁谐振频段相对应. 通过仿真对此进行了证明, 并对产生电谐振和磁谐振的原因进行了分析.     

基于偶极子方环交叉元有损电容表面的薄宽带吸波器设计

为了解决常见吸波材料厚度大、吸波频带窄的问题，设计了一种采用新型偶极子方环交叉元结构的带宽大、厚度薄的吸波器，它由导电浆料和氧化铝陶瓷组成。基于有限差分时域方法采用CST软件仿真计算了该吸波器的电磁参数与反射率之间的关系。利用等效介质理论反演得到了吸波器的等效电磁参数与等效阻抗。通过优化偶极子方环交叉元结构的单元尺寸和电路参数，设计的吸波器在11.0～18.0 GHz频率范围内反射率小于-10 dB，厚度为1.6 mm，品质因素（FOM）远高于大多数文献报道的吸波器。研究发现该吸波器的损耗机制为共振损耗和欧姆损耗，组合频率选择表面（FSS）可以增强电磁损耗。实测结果与仿真吻合得较好，该超材料吸波器具有超薄宽带吸收的特性。     

基于小型化结构的各向同性负磁导率材料与左手材料

提出了一种双面环各向同性结构单元模型, 理论与实验研究了其微波电磁谐振行为. 结果表明: 在电磁波平行入射和垂直入射条件下, 该结构可在同一频段实现磁谐振, 且在谐振频段磁导率为负; 当电磁波以不同角度斜入射时, 其产生负磁导率频段也保持不变, 即该结构的电磁特性不依赖于入射角度, 双面环结构具有各向同性的特点. 将双面环结构与金属线结构组合, 该组合结构具有负折射率. 另外,双面环结构还具有小型化的优点, 在不增加结构单元几何尺寸的情况下, 通过在结构单元中引入金属化过孔的方法, 增加结构单元的电长度, 可使谐振频率大幅度地向低频方向移动, 使其在低频工作时 仍保持小型化的优点. 在双面环结构中引入金属化过孔技术可使谐振单元的几何尺寸减小50%, 在微波器件、滤波器、天线等领域有广阔的应用前景.     

Optical design of retro-reflectors by coordinate transformation

Transformation optics based on the form-invariant coordinate transformation of Maxwell’s equations offers an unconventional approach for designing devices with unprecedented electromagnetic (EM) behaviors. In this paper, we expand the coordinate transformation method to design omni-directional (OD) retro-reflectors by extending the conventional Luneberg lens reflectors to work in a much wider angular width. The constitutive medium tensors of the transformation devices are derived. Based on full wave simulations combined with Huygen’s principle, the flat and efficient backscattering responses of the resultant devices have been evaluated quantitatively. We confirm that the proposed structures are highly visible to incident EM waves from all directions, and they can be used as good OD radar cross section (RCS) enhancers in radar applications, such as the reference target for RCS measurements, range finding and position identification.     

各向异性超常材料的偏振分离特性

提出了一种利用含有负介电常量和磁导率张量的各向异性超常材料实现偏振分离的方法。通过分析电磁波在无损耗各向异性超常材料中的传输性质以及透射率与入射角度的关系,分类比较了由不同符号的介电常量和磁导率张量组合而成具有不同波矢面的各向异性超常材料的偏振分离特性,比较结果表明波矢面为单叶双曲面和椭球双叶双曲面的各向异性超常材料的偏振分离特性强。前者可以实现入射波中的s分量和p分量中某一分量正折射,另一分量负折射,且在一定条件下可以同时全透射,从而实现大角度偏振分离。后者在一定条件下可实现入射波中的s分量和p分量某一分量全反射,另一分量全透射,从而实现偏振分离。最后,对从各向同性介质入射到这两种各向异性超常材料中的高斯光波的传输进行了模拟计算,结果表明这两种各向异性超常材料可以实现很好的偏振分离功能,有潜力成为新型的偏振分离元件。     

Transparent device with homogeneous material parameters

A transparent device is an electromagnetic structure that is explicitly designed to be transparent to incoming electromagnetic waves. Based on coordinate transformation theory, a novel diamond-shaped transparent device is proposed and designed. It can protect electronic equipments inside without affecting their performance. Compared with a traditional transparent device, the material parameters of the novel transparent device feature homogeneity and non-singularity, which can easily be realized in actual applications. Full-wave simulations are made to validate the performance of the transparent device.     

开口共振环型球状变形器的设计与模拟

本文从电磁介质的变换理论出发,提出采用开口共振环(SRR)结构的球状变形器简化方案. 通过调节此微结构的几何参数,可获得有效磁导率分布,并实现TE入射波下的变形效果. 有限元模拟计算的结果表明,尽管此方案中的参数经历了简化与离散,且材料本身具有不可忽略的色散及损耗,但在工作频率下仍能实现较好的变形效果. 另一方面,通过选择合适的结构参数,令该结构的共振点远离结构参数的分布范围,可有效地拓宽此结构的工作频带,改善变形器的变形效果. 关键词： 变形器 微结构 有限元模拟     

Enhanced transmission by a grating composed of left-handed materials

We present a detailed theoretical analysis about the influence of surface polaritons on the transmission properties of electromagnetic waves at the periodically corrugated interface between the vacuum and left-handed material by using nonlinear boundary condition approach. The principle behind this approach is to match the wave fields across the grating interface by using a set of linear wave equation with nonlinear boundary conditions. The resonant transmission of the incident electromagnetic radiation in this structure is feasible within a certain frequency band, where there is a range of frequency over which both the electric permittivity and the magnetic permeability are simultaneously negative. The enhanced transmission is attributed to the coupling of the incident electromagnetic wave with the excited surface polaritons on grating interface. Finally, we present the numerical results illustrating the effect of the structural parameters and angle of incidence on the transmission spectra of a TM polarized electromagnetic wave.     

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.     

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     

Two-Dimensional （2D） Polygonal Electromagnetic Cloaks

Transformation optics offers remarkable control over electromagnetic fields and opens an exciting gateway to design ＇invisible cloak devices＇ recently. We present an important class of two-dimensional （2D） cloaks with polygon geometries. Explicit expressions of transformed medium parameters are derived with their unique properties investigated. It is found that the elements of diagonalized permittivity tensors are always positive within an irregular polygon cloak besides one element diverges to plus infinity and the other two become zero at the inner boundary. At most positions, the principle axes of permittivity tensors do not align with position vectors. An irregular polygon cloak is designed and its invisibility to external electromagnetic waves is numerically verified. Since polygon cloaks can be tailored to resemble any objects, the transformation is finally generalized to the realization of 2D cloaks with arbitrary geometries.     

Linear polarizer made of indefinite media

We propose a new type of polarizer that utilizes indefinite media–media for which not all elements of the permittivity and permeability tensors possess the same sign [5]. We demonstrate both theoretically and numerically that, when certain physical parameters are chosen, a slab of indefinite media can transmit all the p-polarized components of the incident electromagnetic waves and fully reflect the s-polarized ones; thus, it can be used as a linear polarizer or a polarizing beam splitter. The proposed polarizer has some advantages compared to polarizers of the conventional types. Practical models for such polarizers are also presented. PACS 42.79.Ci; 42.25.Gy; 78.67.-n