基于近零折射率电磁超材料的覆层天线

电磁超材料是指一种具有与常规材料不同的电磁特性的人工电磁媒质,近零折射率电磁超材料是电磁超材料的一种,以其等效折射率接近为零作为主要特征,在覆层天线方面有广泛的应用。主要研究近零折射率材料作为天线覆层时,不同的覆层与天线距离对天线的影响,为实际应用提供一定的参考。

声学近零折射率材料的声波调控研究

基于分形曲线和空间卷曲的理念设计出一种声学超材料,具有小尺寸调控大波长的特点。利用等效参数法提取了该超材料的等效质量密度和体积模量,在特定的频率点处,这种声学超材料具有近零密度特性,可以实现声波的零相位差传播和能量无损耗传输。基于有限元法分析表明:在近零密度频率点处,该声学超材料可以实现特殊的声学现象如声隐身、声隧穿、波前整形和声异常透射。最后,测试了加工样品的透射系数,结果表明:试验数据与仿真计算结果符合较好,验证了结构的有效性,表明该声学超材料可以用于声学器件的设计。

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.

近零折射率超材料波导加载系统中数理方程的求解及COMSOL仿真

近零折射率超材料波导中加载介质缺陷的电磁波传输特性的分析归结为"数学物理方法"中亥姆霍兹方程非齐次边值问题的求解,可采用多种求解偏微分方程的方法进行分析.本文用分离变量法对这一问题的两个典型实例进行了解析求解,并通过基于有限元法的多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics进一步对照,从而验证了理论分析的正确性.对更一般的问题采用COMSOL进行了数值计算和仿真,其适用性更为普遍.

复合方形环近零折射率超材料的高增益特性研究

设计了一种由4个方形环和4个金属片组成的复合方形环单元结构,并将其周期排列,形成了近零折射率超材料。该超材料的近零频段为6.17 GHz到6.26 GHz。将其置放在微带贴片天线正上方处,采用有限元法(FEM)和时域有限差分法(FDTD)对该超材料测试系统进行了仿真分析,两种方法的仿真结果吻合较好,证实了计算方法结果的有效性。结果表明,复合方形环近零折射率超材料有高增益高定向的特性,可以应用于天线中,提高增益。

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.

二维近零折射率声学材料的负向Schoch位移

对二维声学超材料与常规材料界面处的负向Schoch位移进行了研究.研究表明,在界面处增加合适厚度的覆盖层,当声波在某一频率附近从常规材料向近零折射率材料传播时,反射声波相对于入射声波会在界面处发生负向Schoch位移,此时,超材料的有效体积模量倒数值趋近于零从而使它成为一种折射率近零的声学材料;同时,超材料有效阻抗的极大值和反射系数的极大值都在这一特殊频率处且反射系数虚部相位在对应频率处有πrad的相位突变;研究还发现,发生负向Schoch位移的频率位于MK方向第一带隙中且靠近上边界的通带频率.常规材料界面处的Schoch位移通常是正向的且大小可忽略不计的,本文利用近零折射率声学材料实现了负向的Schoch位移,为设计出基于界面声波的声学器件提供了一种新的理论参考.

近零折射率材料激光合束

设计了一种基于近零折射率亚波长人工材料的激光合束器。首先介绍了合束器的基本原理、结构及其材料;然后基于渔网结构设计了合束器的构成材料,通过S参数反演法计算得到其物质参数;最后,利用所得材料参数对三束以不同角度入射的激光合束结果进行了仿真分析,并与理想平面波进行对比。结果表明:当三束激光的入射角分别为-15°、0°和10°时,合成的单束激光相对于平面波在强度为最大值1/e2处的远场发散角展宽仅为1.6 mrad。可见该方法可以成功地将多束激光合为一束,且具有理想的输出光束特性。

一种新型近零折射率超材料结构单元设计与仿真

提出了一种由金属线和金属过孔组成的双形零折射率电磁超材料结构.仿真计算及电磁参数反演结果表明,当电磁波垂直入射时,该结构在8.29 GHz至9.02 GHz频段内折射率接近零,在8.62G Hz附近等效介电常数和等效磁导率同时接近零,从而得到折射率为零,在该频点处结构的电磁特性可从双负区域向双正区域转换.通过棱镜仿真实验对结构的零折射特性进行了验证,进一步验证了结构设计的准确性.

基于各向异性混合介质近零折射率超材料的高增益微带天线

根据斯涅尔定律,透过近零折射率超材料(Near Zero Index Metamaterials,NZIM)的电磁波会变为垂直于超材料表面的高指向性波束。这种特性使NZIM材料被广泛应用于高增益及高定向性天线设计中。基于此,设计一款基于各向异性混合介质近零折射率超材料的高增益微带天线。混合介质超材料单元由FBM介质及高纯度铜导体组成。根据金属等离子体理论,金属阵列等离子体频率与入射波谐振频率相近时,会呈现近零介电常数。通过合理调节金属半径及介质单元周期,最终使该混合介质在9.5~10.2 GHz频段内折射率近零且等效阻抗接近1,能够与空气匹配。对基于混合介质超材料的微带天线进行加工测试,结果表明,加载混合介质覆层后,微带天线增益明显提高,最大增益提高4.1 dB。

一种折射率近零超材料的设计、制作和表征

利用人工结构制成的超材料能够实现天然材料所不具备的特性,电磁超材料作为一个新兴、多学科交叉领域,在理论探究和实验证明上都已成为近年来科学研究的热点之一,除单负和双负材料之外,电磁参数近零的超材料因其在光学隐身、天线雷达、军事等方面的应用也受到科学家的广泛关注。本文利用共振的H分形结构设计制作了在微波频段下折射率分布在[0,1]之间的微波超材料,而且利用微波波导传输线对多种变化尺度的晶胞结构进行电磁参数的测量,得到了每种晶胞结构对应的X波段折射率频谱,通过研究晶胞结构单元的等效电磁参数实现了一种折射率近零超材料,从而为实现近零折射率分布的变换光学器件如Inside-out Eaton Lens的实验研制提供了材料选择。

基于超材料的低剖面高水平增益全向天线

设计了一款基于近零折射率超材料(NZRIM)的低剖面高水平面增益全向天线。超材料晶胞由两个对称的C形条带和一个弯折线条带组成。将超材料晶胞组成的阵列轴对称放置在全向天线的四周,有效改变电磁波的辐射方向,使之更靠近水平面,从而提高天线的水平面增益。测试结果表明,天线的-10 dB阻抗带宽为5.78 GHz~6.12 GHz。加载超材料后的天线在工作带宽内的水平增益可以提高0.5 dB~1 dB,最大水平增益达到2.68 dBi。