新型结构左手材料的仿真设计与实现

左手材料通过其特殊的结构阵列来实现负的介电常数和磁导率,将之应用到天线罩、滤波器和天线等方面,可以较好地改善特性。2种新型左手材料结构被提出,分别是史密斯方形环的简化形式和P型结构,其中P型结构又包含基本形式与改进形式。针对这2种模型,利用仿真软件进行了仿真设计,发现这2种形式可以在4～6 GHz频段实现负的介电常数和磁导率,其中P型结构实现效果更好。     

左手介质材料的研究进展与应用前景

本文介绍了一种新颖奇特的物质——左手介质材料（left-handed materials，LHM），叙述了左手介质材料的发展简史、制备方法、基本性能，对其潜在应用前景进行了展望。     

基于左手材料的矩形环分形微带天线研究

通过将矩形环分形天线嵌入到左手材料中,形成一种基于左手材料的矩形环分形微带天线。采用有限元法对该复合天线进行分析和仿真,发现基于左手材料的矩形环分形微带天线在各频段增益明显增大,同时具有较低的回波损耗和电压驻波比,实现了较好的匹配性,且有效地改善了天线的性能。由此可以看出基于左手材料的矩形环分形微带天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等领域具有潜在的应用价值。     

左手材料的研究概述

随着研究的深入,左手材料的相关理论不断得到完善,应用逐渐深入,左手材料的物理特性也得到了优化。本文对左手材料的发展历史,基本原理,区别于传统材料的特性和最近的结构设计进展作了简要的介绍。     

左手材料在微带天线上的应用研究

本文基于色散稳定,频带宽的左手介质LHM结构单元,设计了一种左手材料,用作天线的覆盖层,利用左手材料的平板聚焦特性,实现提高天线的增益,减小天线波瓣。经过电磁仿真的结果表明使用左手材料覆盖层后天线波瓣减小了12度,增益提高了1．2dBi。     

左手介质及其应用

左手介质是近年来新兴的研究项目。简要回顾了左手介质材料发展过程，介绍了该介质的基本特征以及在微波波段的应用。     

左手材料展望

左手材料（left—handed metamaterials;LHMs）是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料，因其中传播的电磁波的电场矢量、磁场矢量以及波矢方向满足左手定则而得名。左手材料概念最初由前苏联物理学家Veselago于1964年提出，他从Maxwell方程出发，分析了电磁波在介电常数和磁导率同时为负介质中传播的状况，从理论上指出这种介质的存在是不违反物理学定律的，并且具有负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、完美透镜。等奇异物理现象。但自然界不存在这种性质特异的物质，故在该理论提出的近30年内左手材料发展几乎处于停滞状态。20世纪90年代，随着人工周期性材料的发展，英国皇家学院院士Pendry教授重新开始了该领域研究。2001年Smith等根据Pendry的理论模型，首次制备出微波段具有负介电常数、负磁导率材料，并通过实验观察到了负折射现象。随后左手材料研究取得重大突破，并被Science杂志评为2003年度十大科技进展之一。     

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。     

基于蘑菇型磁谐振环结构的左手材料设计与分析

提出了一种蘑菇型磁谐振环结构,并结合金属丝电谐振结构设计了左手材料单元。利用CST电磁仿真软件,通过平面波入射实验、等效电磁参数提取及波导仿真实验等方法验证了左手通带的存在。这种磁谐振环结构由单匝开口环路串连而成,相比于传统的多环路开口谐振环有着更为简单的结构形式,便于材料的加工和制备。同时,这种前后相邻的磁谐振环固有的金属条结构,也为左手材料的电磁谐振提供了一种电容耦合单元。     

基于左手材料的微带阵列天线设计

设计出一种由两个六边形开口谐振环组成的电磁超材料单元,这种新型的电磁超材料单元实现了左手特性。然后优化出一个中心频率为16 GHz的二元阵列微带天线,将左手材料单元置于辐射贴片周围,利用三维电磁仿真软件HFSS对其进行优化仿真,最终制作了一款加载左手材料的微带阵列天线。仿真及实测结果表明,在相同的工作频率下,加载了左手材料的阵列天线与普通阵列天线相比,其谐振点的回波损耗由-32.7 dB减小到-59.7 dB,同时在低频产生了谐振点,实测其旁瓣得到了有效的缩小,主瓣变窄,方向性增强,增益由8.3 dB增加到8.8 dB,提高了天线的多项性能指标,且实测回波损耗与仿真曲线吻合较好,在16 GHz处的增益图与仿真对比大致相同。     

Hybrid image compression method based on fractal geometry

A hybrid method for image compression based on the fractal geometry concept is presented. By combining the scanline subtraction and prediction mechanism with the yardstick-based compression method, higher compression rate can be achieved with good image quality. Furthermore, the performance of the algorithm is improved through error compensation.<>     

Miniaturised microstrip bandpass filters based on Moore fractal geometry

This paper presents new microstrip bandpass filter design topologies that consist of dual edge-coupled resonators constructed in the form of Moore fractal geometries of second and third iteration levels. The space-filling property for proposed fractal filters has found to produce reduced size shapes in accordance with sequential iteration levels. These filters have been prepared for ISM band applications at a centre frequency of 2.4 GHz using a substrate with a dielectric coefficient of 10.8, dielectric thickness of 1.27 mm and metallisation thickness of 35 µm. The output responses of each fractal bandpass filter have been determined by a full-wave-based electromagnetic simulator Sonnet software package. Simulated and experimental results are approximately compatible with each other. These responses clarify that these fractal filters have good transmission and return loss characteristics with blocked higher harmonics in out-of-band regions.     

基于分形的特异媒质层设计及应用于提高天线增益

根据分形原理,设计了一种新颖的分形图案。通过在印刷板(PCB)上周期性地蚀刻该分形图案制作了一种微带结构的特异媒质层。仿真计算表明,随着一些分形结构参数变化,该特异媒质层对电磁波具有连续变化的反射系数幅度和相位。依据部分反射层理论,将该特异媒质层加载在矩形贴片天线前方,在天线的工作频点、带宽和定向辐射特性基本保持不变条件下,矩形贴片增益得到不同程度提高。加工制作了特异媒质层和矩形贴片天线,测试结果验证了设计和仿真计算的正确性。     

Radar absorbers based on metamaterials

Application of metamaterials for creation of new types of radar absorbers (RAs) is investigated. Typical frequency dependences of the permittivity and permeability of composites fabricated from various inclusions employed in designing RAs are considered. It is shown that the structures of RAs can contain metamaterials with both positive and negative values of the real parts of permittivity and permeability. An RA having a low reflection coefficient over a wide range of the incidence angles of an electromagnetic wave for both wave polarizations is developed. It is based on a metamaterial with negative values of the permittivity and permeability.     

基于分形结构的光子晶体滤波器优化设计

针对基于分形结构的一维光子晶体滤波器,优化 设计其多信道滤波性能和调控特性:优化缺陷层的核心参数, 使其对应的透射信道在带隙中灵活移入移出,实现对信道数量的控制;并在各透射信道波长 由缺陷层调控的基础上,优 化基础结构周期以保证对多信道的调控严格独立。进而,利用传输矩阵法对其滤波性能进行研究, 分析了不同级别结构下信道数量的控制及信道特性;并以S＝3结构为例,分析了影响信道中心波长的因素,以及对多个信道的独立调控性能 进行了验证。最后对滤波器的3dB带宽、透射率等关键参数进行定量分析,譬如3dB宽度小 于11nm,透射率大于0.9等。由此,通过对具 有分形性质一维光子晶体滤波器的结构参数优化,实现了具有较好滤波性能的多信道可独立 调谐滤波器,可实现在光纤通信中对特定信道滤波,提升系统信噪比。     

Electrodynamic models of thin-layer metamaterials and devices based on such metamaterials

Results of studies in the theory and applications of thin-layer metamaterials are presented. The studies involve modeling and realization of superresolution devices. It is found that rigorous electrodynamic models that are not based on homogenization of composites should be preferred in modeling devices with metamaterials. Differences between a real composite and a hypothetic homogeneous metasubstance are revealed. The conclusion that loss in a metamaterial can be compensated with the help of active insertions is drawn. The directions of further research are indicated.     

基于近零指数超材料的频分复用信息传输

面向高速传输信息的需求,基于近零指数超材料概念提出了一种全新的频分复用实现架构. 所采用的近零指数超材料由一块近零介电常数背景和任意排列的光学掺杂异质体构成. 解析理论表明,光学掺杂异质体可以灵活调控近零指数超材料整体的等效磁导率以及传输响应,所以在其周围环绕金属屏蔽环并加载开关,即可实现对多频带传输幅度的独立调制. 数值仿真和理论计算结果表明,当加入N个光学掺杂异质体,即可形成N路信息传输通道,有效提升信道容量. 基于近零指数超材料的频分复用实现架构具有部署灵活、易于调节等优势,且近零介电常数响应可以在微波、太赫兹乃至光学波段被实现或模拟,因而所提出信息传输架构可以在广阔的频段具有良好的应用前景.     

A compact triple-band bandpass filter based on metamaterials

This paper presents a compact triple-band bandpass filter based on metamaterials. The miniaturization is realized by the principle of phase compensation of metamaterial. Compared with the conventional half-wavelength filter, the metamaterial filter has a small size of 10 mm×10 mm. The triple-band bandpass filter performance has been validated by the electromagnetic simulation software of high frequency structure simulator(HFSS). The results illustrate that the filter is designed with center frequencies of 2.4 GHz, 5.1 GHz and 8.8 GHz, bandwidths of about 7.9%(2.31—2.50 GHz), 7.8%(5.0—5.4 GHz) and 7.4%(8.50—9.15 GHz), respectively, and it shows good band pass characteristics.     

基于超材料的自由电子辐射研究进展

自由电子与周围电磁环境互作用时可以通过不同的形式辐射电磁波.超材料是一种人工复合材料,可实现传统自然材料所不具备的电磁特性.基于超材料与自由电子之间的相互作用可以打破传统电磁辐射系统的限制,实现对辐射电磁波的极化、相位、波前等特性的灵活操控,这为发展新型的自由电子辐射器件提供了新思路.本文简单介绍了切伦科夫辐射、史密斯...     

基于可重构超材料的太赫兹可调带阻滤波器

设计了一种基于可重构超材料的太赫兹三带可调带阻滤波器。该滤波器各单元均由可动部分与固定部分构成,两部分均采用金-硅两层结构,表层金的厚度为0.65 μm,下层硅的厚度为25 μm。可移动部分由电热驱动器进行驱动,最大位移为5 μm。可动部分为两边长不同的矩形环,固定部分为开口环。用时域有限积分方法研究了滤波特性和频率可调机理,并根据表面电流分布情况,建立了等效电路。由表面电流分布可知,前两个阻带中心频率分别由固定部分的低频偶极子和高频偶极子振荡产生,第三个阻带中心频率由可动部分表面的偶极子振荡产生。该可调带阻滤波器在太赫兹通信和频率选择性太赫兹探测领域有重要应用价值。