双频段低谐振频率超材料结构设计与仿真

针对传统双频电磁超材料谐振频率较大的问题,该文基于等效电路理论,设计了一种新型双面螺旋复合嵌套环结构模型。通过理论分析及HFSS建模仿真,结合散射参数(S参数)反演算法,提取了等效电磁参数。结果表明,该结构在13.40~14.27 MHz和26.69~31.35 MHz频段内等效介电常数为正,等效磁导率为负,实现了材料的磁单负特性。     

结构单元对双负材料电磁特性的影响

采用S参数提取法、结合HFSS仿真对双负材料电磁特性进行了分析研究,导出了S参数提取技术的相应计算公式。通过调节金属丝和金属谐振环单元的内外环间距、开口间距及覆铜厚度,分析结构单元的变化对双负材料谐振频率、介电常数及磁导率的影响。结果表明:双负材料的谐振频率随内外环间距的增大而迅速降低,随开口间距以及覆铜厚度的增大而缓慢增加。通过改变双负材料的结构单元可以实现对负介电常数和负磁导率频段的调控。     

基于超介质的超宽带小型化天线设计

采用SRR 环和CLP 环两种不同谐振单元,构造了一种新型超介质结构单元。该单元的电谐振和磁谐振的谐振频点比较接近,易于频带融合,从而拓展超介质材料双负(介电常数和磁导率都为负)特性的频率带宽。利用加载的方法,在单极子天线上加载该种新型超介质结构单元,以改善天线的辐射特性。利用电磁仿真软件对其进行了仿真设计和优化。仿真结果表明,该天线实现了超宽带工作,在3. 8 ~ 14GHz 的频率范围内,驻波比小于2;同时,天线实现了高增益特性,在整个频率范围内,增益都高于7dB。最后,对天线进行了加工测试,实验测试结果与仿真结果基本吻合,进一步验证了该天线的工作性能。     

具有宽带特性的超材料设计与分析*

分别提出具有宽带负磁导率特性的圆盘结构超材料和具有宽带双负特性的互联圆盘结构左手材料。对任意极化的垂直入射波,圆盘结构超材料可在8.71GHz到15.19GHz的频段上产生负的磁导率,而互联圆盘结构左手材料则可在6.04GHz到7.40GHz的频段上产生双负特性。通过有限元仿真、本构参数提取、表面电流分布计算、结构参数扫描等方法,对圆盘结构进行了详细分析。结果表明,该结构通过外加磁场激励起的电流环路构成磁谐振回路,进而获得负磁导率特性。利用无限划分的方法,分析了该结构实现宽带特性的原理,推导了等效的磁谐振频率和品质因数的计算公式,并给出其等效电路结构。通过参数扫描,分析了贴片半径、基板介电常数、损耗特性和入射角大小对负磁导率特性的影响规律。对互联圆盘结构左手材料,在提取其等效本构参数的基础上,着重分析了电响应特性,详细推导了等效电等离子体频率的计算公式。     

兆赫兹频段多频磁负超材料的设计和特性研究

针对传统兆赫兹频段超材料仅工作在单频点,无法适用多频系统的问题,提出一种由介质基板和两侧呈嵌套分布的方形螺旋线圈环构成的超材料结构单元,利用HFSS软件对该回型嵌套式结构及其衍生结构单元进行仿真分析并进行等效参数提取。结果表明:该结构在兆赫兹频段能实现多频点磁负特性,通过调节螺旋线圈的参数可以对磁负点的频率进行调控,以满足不同系统工作频段要求。对低频磁负超材料多频化的发展提供了参考。     

E型左手材料

由于E型结构具有产生负磁导率所需的等效电感和等效电容,据此提出一种新型左手材料,用E型SRR来实现负的磁导率,金属线结构来实现负的介电常数。等效模型分析证实这个结构确实能够实现稳定的左手特性。有限元法仿真并用S参数法提取等效介电常数、等效磁导率和折射率,得到样本在11.5～14GHz频段内具有明显的负折射率特性。棱镜折射实验也再次证明了该结构的负折射率特性。     

形变稳定的负磁导率超材料双频柔性天线

为了解决力学形变对柔性天线电磁特性影响的问题,设计了一种形变稳定的柔性天线,利用加载负磁导率超材料结构增加天线的新频段,使天线工作于2.45GHz和5.80GHz频段。分析了负磁导率超材料结构增加天线频段的机理与影响因素,进而总结了电磁-力学多物理场耦合特性。天线整体尺寸为0.24λ0×0.20λ0(λ0为2.45GHz时自由空间的波长),厚度仅为0.001λ0,实验结果表明天线在弯曲半径R为10～50mm时频段参数不变。可见加载负磁导率超材料结构单元可以增加天线频段,在一定的力学形变条件下电磁特性仍保持稳定,满足柔性天线超薄小型化的设计需求。     

一种K波段电磁超材料的设计及其在微带天线中的应用

根据电磁材料的相关理论,设计出一种由新型谐振器和金属线组成的电磁双负超材料,即介电常数和磁导率同时为负的电磁材料。新型谐振器通过较小谐振腔并联的方式,在较大的单元尺寸下提高了谐振频率,既使该电磁超材料在K波段实现了双负特性,又保证了材料的辐射面积,克服了高频段超材料由于尺寸太小而难以应用的困难。设计出一种K波段的微带天线,将新型谐振器加载在天线上,并用HFSS软件对未加载谐振器和加载谐振器的天线进行仿真对比。仿真结果表明,相比普通天线,加载新型谐振器的微带天线性能得到明显提升,驻波比2 d B以下的带宽增加了58.3%,增益变大,并且由于谐振器对天线副瓣的抑制,提高了天线的方向性。     

一种基于超介质覆层加载的LTE天线设计

将弧形微带线、圆形开口谐振环和方型DGS(Defected Ground Structure)组建了一种平面微带型超介质单元,该单元在微波频段内具有等效介电常数和等效磁导率均小于0的特性。同时在双层贴片与接地板之间利用短路针加载技术,设计了一种结构简单的普通微带天线。MATLAB和HFSS软件仿真结果表明,设计的平面型超介质单元在1~10 GHz频段内具有多个等效介电常数和等效磁导率均小于0的频段。将由超介质单元构成的覆层加载到天线辐射贴片前方,构建一种工作频段完全覆盖1.92~1.98 GHz,2.11~2.17 GHz的LTE(Long Term Evolution)超介质天线。仿真结果表明,加载超介质覆层后微带天线的工作频段分别扩展为1.91~2.05 GHz、2.09~2.19 GHz频段,增益也提高了至少2 dB。     

双频带电磁超材料单元设计及仿真

该文基于谐振型左手理论,提出一种将2种不同的多开口谐振环左手结构单元分别印刷在介质板的正、反面,这种复合结构实现了双频带左手特性。在微波频率范围内采用等效参数（NRW）提取算法,验证了该多开口谐振环的复合结构能实现负的介电常数和磁导率,同时采用LC谐振电路进行分析并解释其产生的机理。数值和仿真结果表明,存在2个介电常数、磁导率和折射率的实部都为负的频带。其负频带频率范围分别为16.5~18.96 GHz和22.8~24 GHz,负双频带带宽为3.66 GHz。由于其带宽性能良好的双负特性,可用于多频带或宽带微波器件的设计。     

基于超材料结构的悬臂梁水听器设计

悬臂梁水听器可在谐振频段接收低频水声信号,相比传统水听器,其不仅能提升灵敏度,还可获得更优越的探测性能,在海洋工程领域具有广阔的应用前景。该文基于声学超材料设计了一种新的悬臂梁水听器,研究了声学超材料的负等效原理及材料参数对谐振频率的影响,获得了降低悬臂梁水听器谐振频率的方法。在此基础上分析了单纯铜梁、三层铜-橡胶梁、五层铜-橡胶梁的一阶固有频率,并结合实际使用需求选用三层复合结构完成超材料悬臂梁水听器的设计。仿真分析结果表明,在相同尺寸情况下,该文设计的水听器比传统悬臂梁水听器具有更低的谐振频率。     

L波段薄膜体声波谐振器纵波谐振频率计算

薄膜体声波谐振器(FBAR)电极层和压电层的厚度、材料是影响谐振频率的主要因素,确定各层的厚度和材料可得到期望的谐振频率。通过推导FBAR纵向运动应力方程,得到各层厚度、材料、频率参数与角频率相关的公式;采用MATLAB对FBAR各层应力和位移的边界、连续性条件方程组的行列式进行牛顿迭代,得到各层的频率参数。将确定的各层厚度、材料参数值及由牛顿迭代得到的频率参数值代入公式,可以得出谐振频率为1.453 8GHz。采用ADS对具有与公式计算相同厚度、材料的FBAR进行纵向振动Mason模型等效电路仿真,得到仿真模型的谐振频率为1.463GHz。仿真验证结果表明,谐振频率公式计算值和模型仿真值较近,可采用频率公式计算L波段FBAR纵波谐振频率。     

单缝双环结构超材料太赫兹波调制器

超材料指的是一些具有人工设计的结构,并呈现出自然材料所不具备的超常物理性质,它能够以一种新奇的方式实现对电磁波的调控。文中理论研究了单缝双环结构超材料太赫兹调制器的调制机理,运用等效电路法及微分方程法求解出调制器的共振频率与调制器本身几何参数的一般数学表达式,并用Matlab 对不同调制频率情况下的几何参数进行了计算。运用CST（microwave studio）对调制器进行了理论模拟,数值模拟结果显示,该调制器频率在0.775 THz,0.95 THz 和1.65 THz 处共振吸收强度分别为70%,65%和68%,该结构调制器可以作为太赫兹波的调制器。     

平板介质的微波分裂腔法介电常数测试技术

为实现微波频段平板类介质材料的介电常数的无损测试,研究了分裂式圆柱形谐振腔测试方法。介绍了分裂式圆柱形谐振腔的电磁场分析理论,采用模式匹配技术实现了介质加载条件下腔内电磁场分布的精确求解,得到了腔体谐振频率与材料介电常数之间的准确关系。在理论分析的基础上,制作了空腔谐振频率为10 GHz的分裂式谐振腔,并与前期研制的闭式谐振腔进行对比测试,介电常数实部测量结果相对误差小于1%。与国外同类产品进行对比测试,介电常数实部结果基本一致,损耗角正切测量结果更接近于文献参考值。因此,微波分裂腔法能够实现平板介质板材的无损测量,具有准确度高,使用方便等突出优势,可在微波频段内实现介电常数为1～20,损耗角正切为1×10^-3～1×10^-5,板材厚度为0.1～2.0 mm的各类平板介质材料介电常数的准确测试。     

基于锑化铟的可调超材料太赫兹带阻滤波器

提出了一种工作在太赫兹频段, 基于半导体材料锑化铟的超材料带阻滤波器.由于锑化铟材料介电常数的特性, 该滤波器的谐振频率能够进行温度调节.同时, 通过有限积分法和等效LMC电路模型分析了滤波器的几何参数对其谐振频率的影响, 这两种方法得到的结果具有良好的一致性.在温度的取值范围是220～350 K时, 滤波器的谐振频率能够从0.91 THz动态调节到1.28 THz, 并且其阻带谐振频率的透射系数能够有限地被抑制.该滤波器的传输特性在30°入射角范围内具有良好的稳定性.设计的可调超材料带阻滤波器将在太赫兹无线通信、传感等方面有潜在的应用前景.     

非谐振多层级联频率选择表面研究

为了减少工作在L波段的机载天线对高于其工作频率范围来波的散射,设计了一种非谐振单元组成的多层级联结构阵列.它是在十字网栅电感层基础上,通过螺旋曲折线的形式有效延长电流路径,加大电感层的感性效应,这种折线螺旋能够控制单元尺寸,还能抑制高阶模和栅瓣的出现.采用修改电容层金属图案的方法,将贴片单元变为谐振型的方环单元,并将这种带阻型方环单元的传输极点置于阵列干涉点处,可以有效抑制由阵列干涉造成的窄传输峰,从而减少高频电磁波散射的影响,达到减小电磁散射对飞机雷达散射截面的影响,从而实现表面频率选择.采用高频电磁场仿真软件对上述设计的物理模型和等效电路模型进行了仿真,并对结构尺寸进行了优化设计.通过实验对设计样品进行了测试和分析,结果表明上述设计能够达到频率选择的目的.     

Q-Based Design Equations and Loss Limits for Resonant Metamaterials and Experimental Validation

Practical design parameters of resonant metamaterials, such as loss tangent, are derived in terms of the quality factor Q of the resonant effective medium permeability or permittivity. Through electromagnetic simulations of loop-based resonant particles, it is first shown that the Q of the effective medium response is essentially equal to the Q of an individual resonant particle. This implies that by measuring the Q of a single fabricated metamaterial particle, the effective permeability or permittivity of a meta-material can be estimated simply and accurately without complex simulations, fabrication, or measurements. Experimental validation shows that the frequency-dependent complex permeability analytically estimated from the measured Q of a single fabricated self-resonant loop agrees with the complex permeability extracted from S parameter measurements of a metamaterial slab to better than 20 %. This Q equivalence reduces the design of a metamaterial to meet a given loss constraint to the simpler problem of the design of a resonant particle to meet a specific Q constraint. The Q-based analysis also yields simple analytical expressions for estimating the loss tangent of a planar loop magnetic metamaterial due to ohmic losses. It is shown that tan delta ap 0.001 is a strong lower bound for magnetic loss tangents for frequencies not too far from 1 GHz. The ohmic loss of the metamaterial varies inversely with the electrical size of the metamaterial particle, indicating that there is a loss penalty for reducing the particle size at a fixed frequency.