基于超材料的无标记光学生物传感

超材料(metamaterials)因为能够在亚波长尺度范围内精细调控电磁波而受到人们广泛关注。超材料具有丰富的电磁模态,在表面支持高度局域场增强且对周围介电环境极其敏感,可应用于无标记光学生物传感领域。与传统光学生物传感器相比,超材料生物传感器具有小型化、集成化、高度灵敏、多功能可定制等突出优点。本文总结了近年来超材料生物传感器在可见光、近红外、中红外以及太赫兹波段的研究进展,包括折射率生物传感、表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收和太赫兹生物传感等。     

A 340-GHz thin film polarisation converter

This paper introduces a 340-GHz polarisation converter. The polarisation converter consists of a bilayer metamaterial, which is processed by the flexible thin film lithography method. Two-dimensional metamaterial offer such advantages over traditional quarter-wave-plates as compactness, low profile and simple fabrication process, but the insertion loss is comparably high. In order to lower the insertion loss, the 10-μm ultrathin polyimide substrate and a bilayer structure separated by a quarter wavelength air impedance match layer are adopted. After the horn antenna’s far-field test by vector network analyser and the Gaussian beam test based on Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS), the results show that in the band of 325–350 GHz, the transmission loss is less than 2 dB, and the axial ratio is less than 3 dB; besides, simulation and test insertion loss performance difference is less than 1 dB, which indicates that the method we adopt is effective. In addition, based on transmission line theory, we analyse its working principle and the influence from the fabrication error.     

基于电磁超材料的微波单向传输圆波导设计

微波隔离器是微波系统中不可或缺的器件,常见的隔离器都采用了铁氧体旋磁材料配合吸收负载实现电磁波的单向传输。这种器件虽然可以使电磁波单向传输,但是并不能改善能量的浪费问题,还增加了系统的复杂度。针对上述问题,本文基于电磁超材料设计了一种微波单向传输的圆波导,使用波导内壁涂覆折射率逐渐变化的材料来影响电磁波的传输特性,从而实现电磁波单向传输。本文给出了微波单向传输的电磁计算模型和超材料结构及属性,并通过简化这种超材料使其易于实现;最后通过电磁仿真分析了这种材料的电磁特性并给出了这种材料的实现方法。     

基于双磁介质层复合的超材料低频吸波体研究

本研究将磁性吸波涂层融入至超材料的结构设计中,得到了一种新型低频复合超材料吸波体,吸波体由环形电阻膜、双层磁性吸波涂层和金属背板组成。采用CST仿真软件计算了超材料吸波体的吸收性能,研究了吸波体各个结构参数对吸收性能的影响。仿真结果表明,设计的超材料吸波体厚度为2.5 mm时,在1.9和4 GHz处存在2个吸收峰,在1.59～6.59GHz频率范围内反射损耗低于-8dB,吸收带宽达到5GHz。通过吸波体电磁场分布对吸波机理进行了讨论。结果表明,吸波体低频吸收带宽的增加是由于表面的电阻膜图案改变了超材料吸波体的电场分布和磁场分布,促进了磁介质层的损耗。最后制备了吸波体样品并进行了反射率测试,实物测试结果与仿真结果基本一致,说明设计制备的吸波体具有优异的低频吸波性能,吸波带宽相比磁性吸波涂层大幅提高。     

雷电冲击电压下环氧树脂基频率选择超材料沿面放电特性

频率选择超材料是隐身雷达罩的理想罩体材料,内部存在大量周期性金属超结构单元,常规雷电屏蔽方法无法对其形成有效保护。该文利用环氧树脂基材制备一种频率选择超材料,研究雷电冲击电压下这种超材料表面的放电通道形貌特征,提出夹角因子参数并测量了50%沿面放电电压。在此基础上,利用夹角因子对超材料表面绝缘特性进行评估,得出沿面放电电压随偏离角变化的规律。结果表明,超材料表面放电通道呈折线型,由两类放电路径组成:第一类路径与超结构周期方向平行,第二类路径与超结构周期方向夹角45°。进一步分析发现,超材料沿面放电的主通道发生在沿绝缘间隙总长度最短的路径上。随着双电极连线偏离超结构周期方向角度的增大,沿面放电电压先增后减,当偏离角为0°或45°时,放电电压较低;当偏离角为22.5°时,放电电压较高。研究结果可为超材料隐身雷达罩的雷电防护提供参考。     

Detection of micron size phantom of biological cell using concentric square ring metamaterial at microwave frequency

ABSTRACT

This paper presents simulation studies and theoretical analysis of sensing property of concentric square ring metamaterial biological materials. Phantom of dielectric cell having dimension 100 µm long and 25 µm in radius is considered. Sensor is designed using periodic arrays of split ring resonators and wires having negative permittivity and permeability at 16.694 GHz. Transmission parameters are extracted using CST MWS software. Change in resonance is observed on placing phantom close to the sensor due to the change in capacitance and inductance. Designed sensor can sense single phantom cell with 133 MHz of shift in resonance. Study shows that sensor has good sensitivity for detecting micron size dielectric objects.     

基于超材料设计的羰基铁低频复合吸波涂层研究

为获得低频宽带吸波材料,本文采用共沉淀和原位聚合技术制备了羰基铁/CoFe₂O₄/PANI三元复合材料,并以此为介质层,借鉴超材料思想,设计了一种基于超材料结构的羰基铁复合吸波涂层,改善了低频吸波性能。分析了超材料的结构设计对羰基铁/CoFe₂O₄/PANI涂层吸波性能的影响,并对赋予超材料结构后的复合涂层的吸波机理进行了研究和讨论。通过仿真优化发现,在电阻膜方阻值为10mΩ/□和镂空十字电阻膜图案尺寸达到最佳时,在相同厚度下赋予超材料结构后的复合涂层具有比单一羰基铁涂层更宽的吸收频带以及更低的吸收频率,在3.8-6.9GHz频段内反射率均小于-10dB。研究表明,将超材料结构融入到羰基铁涂层性能改进中,能够有效提升其低频吸波性能。     

超材料吸波器的极化特性研究进展

超材料由于具有吸波特性而引起了人们的极大兴趣.简要介绍了超材料产生吸波的原理,并着重阐述了吸波超材料在微波段、光波段以及太赫兹波段的极化特性和相应超材料吸波器结构的模拟及实验研究进展.这种超材料的吸波特性在军事和民用上具有潜在的应用价值.     

基于超材料构建的PCB通信信道芯片无线互连通信研究

提出了一种基于蘑菇型电磁超材料构建的PCB(Printed Circuit Board)的芯片间/芯片内射频通信设计模型.该设计用单极子天线模拟芯片管脚,利用PCB介质作为通信信道,并填充一层超材料吸收多径传播中部分电磁波,降低天线回波损耗和改善天线之间相关度.分析电磁波在PCB介质内传播途径及超材料对其影响.对发射天线输入频率为20GHz不归零伪随机二进制信号,接收天线输出信号的眼图清晰端正.从频域和时域结果分析表明芯片-PCB无线互连可行,而且超材料能够明显改善通信信道而提高信号传输质量.