基于双U形结构的零折射率超材料

在介质基板刻蚀的金属线和金属化过孔组成双U形结构模型,仿真计算及电磁参数反演结果表明,当电磁波垂直入射时,该结构在频率f=7.63 GHz附近等效介电常数和等效磁导率实部同时接近零,从而得到了折射率为零的超材料,实验测试与仿真结果基本一致.同时,为了实现对零折射率响应频点的调节,分析了单元结构的金属过孔间距及U形结构脚长的变化对零折射率特性的影响,发现改变单元结构参数可改变零折射率响应频点.这种可调双U形零折射率超材料单元结构简单,可应用于微波器件等领域.     

密度为零的零折射率声学超材料研究

以普通波导管内部嵌入弹性薄膜为基本单元结构,构造了零折射率声学超材料.研究表明,在频率为fm=453.64Hz时能实现等效质量密度为零的零折射率超材料.在零折射率超材料两端接上截面积较大的普通波导管构造了复合零折射率超材料,利用声传输线理论和声阻抗匹配理论,分析了该复合超材料中能量传输和轴向声压分布情况.理论和仿真结果表明:尽管在零折射率超材料与普通波导管之间存在极大的几何不匹配,系统在输入声波频率为fm和Fabry-Pérot(FP)共振频率时能实现声波完全传输,且在频率fm处具有相位超耦合和传输增强等特性.除此之外,当改变复合超材料中零折射率超材料的长度D和弯曲角度θ时,发现其在频率为fm时所具有的特性不变,而FP共振频率的大小会随零折射率超材料长度的变化而改变.     

加载线阵“零”折射率材料改善喇叭天线指向性

设计制备了周期性金属线阵"零"折射率材料,使用S参数提取法,仿真得到在9.40GHz处,该"零"折射率材料的等效折射率的实部为0.05,虚部为0.019.进行了波导仿真实验,实验结果证实所设计制备的"零"折射材料在对应频点具备"零"折射率的特性.将其加载到喇叭天线口来改善喇叭天线的指向性,仿真发现加载"零"折射率材料之后,喇叭天线的指向性得到了提升:E面的半功率波束宽度从18.0°变为17.6°,E面旁瓣由-8.6dB降低为-19.5dB,H面的半功率波束宽度由18.1°减少为13.4°,H面旁瓣由-26.0dB降低为-27.1dB,天线的增益由原来的19.7dB增加到了21.1dB,从天线的喇叭口辐射出的波形也改善为近似平面波.实物对比试验也表明加载周期性金属线阵"零"折射率材料的喇叭天线E面和H面的辐射宽度明显变窄.     

一种新型网状结构的零折射率超材料

提出了一种由方形金属环、方形金属片及十字形金属线组成的网状零折射率电磁超材料结构.通过CST仿真计算其传输参数,利用电磁参数反演算法得到结构的等效电磁参数.结果表明,当电磁波垂直入射时,该结构在11.54 GHz附近其等效介电常数、等效磁导率同时接近零,在该频点附近处折射率为零, 实验测试与仿真结果基本一致.通过棱镜仿真研究验证,该结构在该频点处可从负折射区域向正折射区域转换,说明该结构是具有“负-零-正”折射率的平衡结构.     

透射型声超表面斗篷的设计

利用2种超表面(相位调控超表面和近零折射率超表面),构建了一种透射型声超表面斗篷.首先，设计了一种具有迷宫结构的近零折射率超表面，该超表面具有近零折射特性，能够使声波绕过障碍物，并沿原入射方向传播；其次，在近零折射率超表面外层基于亥姆霍兹共振结构设计了一种相位调控超表面，该超表面可以通过改变内部空腔长度来实现相位变化，既能调节声波相位，又能保持高透射率，确保声波有效通过.仿真计算结果显示，透射型声超表面斗篷在4 960 Hz频率下能有效隐藏方形物体.     

提高喇叭天线增益的超介质构建方法

为使喇叭天线内部传导的球面波向平面波发生转变,提出一种高增益喇叭天线的超介质构建方法(MSM).MSM方法先采用有限嵌入式坐标变换将喇叭天线内空气介质的电磁参数进行变换,得到一组在原空气介质所占空间内连续变化的电磁参数,再将连续的电磁参数在空间离散化,并设计对应的电谐振和磁谐振单元,最后排布谐振单元实现超介质的构建.在喇叭天线中应用该超介质,改善了口面场的幅相分布,提高了喇叭天线主瓣的方向系数.与零折射率超介质构建方法相比,MSM方法消除了电磁波在介质分界面上的反射,提高了喇叭天线的辐射效率.采用基于有限元算法的COMSOL软件对电磁波在喇叭天线内的传导特性及增益方向图进行三维数值模拟,并与常规喇叭天线进行对比,结果表明:喇叭天线过渡段内波面形式发生了转变,主瓣增益提高了9dB,主H面和主E面的半功率角分别减小了2.1°和1.0°.     

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.     

频率对二维声子晶体平板负折射成像的影响

以二维钢/空气三角排列声子晶体为模型,利用多重散射方法分析声子晶体平板负折射成像过程中声波频率与等效负折射率、入射角的变化关系。研究结果表明:平板负折射成像与声波频率及波的入射角度密切相关;对不同的入射波频率,平板的等效负折射率不同,且随着频率增加,等效负折射率绝对值变小;对于确定的晶格结构,只有在确定的频率范围、确定的入射角范围内,才能发生明显的负折射现象;对于某一确定的入射波频率,平板负折射存在一个最大入射角,且随着入射声源频率的增加,这个最大入射角变小,入射波耦合进入声子晶体平板的信号减弱,进而影响像的强度和清晰度。     

S型左手材料平板透镜对喇叭天线性能影响研究

根据左手材料零折射特性设计一种周期性左手材料排列的平面透镜来提高喇叭天线的增益和口径效率。S型左手材料被放置于平行波导中计算端口传输矩阵,并进一步计算S型左手材料的介电常数,调整结构参数,使其在16GHz时负介电常数为负值。将此结构所构成的周期平面透镜放置在矩形喇叭天线上端,对该天线的辐射方向图,增益进行了研究。结果表明,S型左手材料结构平面透镜的喇叭天线增益可达到19．3dB,比无透镜的同尺寸喇叭天线增益提高3．55dB。且口径效率达到64．21％。说明S型左手材料平面透镜可以大幅提高喇叭天线增益和口径效率。     

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。     

非均匀结构超材料天线罩的研究

提出了一种非均匀排列超材料结构.通过理论计算,该结构在Ku频段内的等效相对介电常数可以控制在0到1之间.该结构可用于天线罩提高天线的增益.分别对单个微带天线、2×2微带阵列天线、4×4微带阵列天线3种情况加载超材料天线罩的效果进行仿真.仿真结果表明:超材料天线罩对提高天线及天线阵增益的效果随着天线单元数的增加而减弱,如单个微带天线增益可提高6dB,而4×4微带阵列天线增益的提高只有1.6dB.     

24 GHz高增益超材料覆层型微带天线的拓扑优化设计

提出了一种基于遗传算法的高增益超材料覆层型微带天线拓扑优化设计方法,设计中对超材料基元和辐射基元采用整体考量的方法,选取微带天线的最大增益值为目标函数,选取超材料覆铜区域离散化后方格子铜贴片的二进制0-1编码为优化变量,建立了24 GHz超材料覆层型微带天线的拓扑优化模型。并采用贴片方格子的冗余设计方法来消除拓扑优化中的单点连接,进而通过合适的遗传算法求解策略对10×10方格子规模的优化设计问题进行求解,获得了一种不含单点连接的新型超材料覆层型微带天线。结果表明,与普通微带天线相比,创新构型的超材料覆层型微带天线具有更佳的工作频率匹配性能,微带天线的增益性能和方向性得到明显提升,其最大增益性能从7.51 dB提升到11.54 dB,提升了53.66%。最后对比研究了12×12和14×14等两种不同方格子规模的超材料微带天线拓扑优化设计问题,结果显示得到的创新构型优化设计结果是趋于收敛的,考虑到制备性价比,10×10方格子规模下的创新构型是制备最佳选择。     

一种高增益低RCS微带天线设计

设计了一种基于人工电磁材料的覆层,并将其应用于微带天线。该覆层由介质板及其两侧的人工周期表面构成,上表面是加载集总电阻的方环贴片,具有宽带吸波特性;下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片,具有部分反射特性。将其加载到微带天线的上方,通过上层的吸波表面吸收入射电磁波并结合下层的部分反射表面与金属地板构成Fabry-Perot(F-P)谐振腔增强天线的定向性,以实现微带天线辐射和散射性能的改善。仿真和实测结果表明加载人工电磁材料覆层后,天线的RCS在2~14GHz宽频带范围内实现了明显的减缩,最大减缩量达到28.3dB而天线的增益在工作频带内都得到了提升,最大提高了4.3dB。     

低频补偿超宽带TEM喇叭天线的研究与设计

设计和仿真了一种组合式的超宽带TEM喇叭天线。通过采用指数渐变的TEM喇叭天线与矩形框的组合形式,扩展了天线的低频截止频率。同时,为了提高高频端天线的增益,对天线口面做圆弧过渡。使用电磁仿真软件CST Microwave Studio进行建模与仿真分析。根据仿真结果制作了天线,在微波暗室内进行测试。结果表明,天线在0.78~20 GHz的频带内反射损耗小于2.5,比带宽达到了25.6∶1,在整个工作频段内平均增益为10 dBi,达到了预期的设计目的。     

曲线轮廓光壁喇叭天线设计与分析

针对毫米波段波纹喇叭加工困难、加工费用昂贵的问题,提出一种由正弦曲线和高斯曲线组成的曲线轮廓光壁喇叭天线,采用基于有限元算法的高频电磁场仿真软件ANSOFT HFSS对该天线的电特性进行计算,并运用准光理论计算其高斯耦合效率.采用高频平面近场天线测试系统对喇叭实物进行测试,实测结果与波纹喇叭对比,这种曲线轮廓光壁喇叭天线的副瓣电平比波纹喇叭低6.59dB,增益高0.5dB,高斯耦合效率高0.9%,长度短15.8mm,而且易于加工,是一种可替代波纹喇叭的优良性能馈源.     

应用于无芯片电子标签的双频天线

由于无芯片电子标签是以声表面波技术进行通信,为使天线与叉指换能器便于集成一体,且具有高增益?覆盖2个免申请频段,设计了一款小型化印刷偶极子天线?通过在介质板双面印刷两对偶极子臂,并调节各自的电长度使其分别对应2个谐振点;采用指数渐变巴伦馈电来减小回波损耗,并在模拟地板上开2条对称缝隙来提高增益?实验结果表明,天线完全覆盖5.8GHz与2.45GHz2个免申请频段;渐变巴伦馈电方式最高可以降低回波损耗24.5dB,地板开缝结构可以提高方向图增益至少24.1%;天线的尺寸为32mm×19mm?最终实现了小型化?高增益?双频段的设计目的?     

Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index

Metamaterials are artificially engineered structures that have properties, such as a negative refractive index, not attainable with naturally occurring materials. Negative-index metamaterials (NIMs) were first demonstrated for microwave frequencies, but it has been challenging to design NIMs for optical frequencies and they have so far been limited to optically thin samples because of significant fabrication challenges and strong energy dissipation in metals. Such thin structures are analogous to a monolayer of atoms, making it difficult to assign bulk properties such as the index of refraction. Negative refraction of surface plasmons was recently demonstrated but was confined to a two-dimensional waveguide. Three-dimensional (3D) optical metamaterials have come into focus recently, including the realization of negative refraction by using layered semiconductor metamaterials and a 3D magnetic metamaterial in the infrared frequencies; however, neither of these had a negative index of refraction. Here we report a 3D optical metamaterial having negative refractive index with a very high figure of merit of 3.5 (that is, low loss). This metamaterial is made of cascaded 'fishnet' structures, with a negative index existing over a broad spectral range. Moreover, it can readily be probed from free space, making it functional for optical devices. We construct a prism made of this optical NIM to demonstrate negative refractive index at optical frequencies, resulting unambiguously from the negative phase evolution of the wave propagating inside the metamaterial. Bulk optical metamaterials open up prospects for studies of 3D optical effects and applications associated with NIMs and zero-index materials such as reversed Doppler effect, superlenses, optical tunnelling devices, compact resonators and highly directional sources.     

利用基因算法确定阵列天线的激励系数

为了提高天线增益和辐射效率,降低副瓣电平,特别是在许多应用中需要天线方向图形成赋形波束以达到所需的效果而采用天线阵[1],[引.对于形成辐射方向图已提出许多方法来确定阵列天线的激励系数,通常这些方法是以波束控制或旁瓣抑制为根据,采用解析逼近共轭梯度法.但是如果调整n个参变量或者要形成多波束的话,那么要找出最佳性能指标是困难的.并且大多数天线方向图在零点或接近零点处的斜率很大,这意味着收敛性差.为了解决这些问题,可以采用基因算法(Genetic Algorithms)来确定激励系数的最佳集合.基因算法是模拟生物进化过程的计算模型,作为一种新的全局优化搜索算法,其简单通用、鲁捧性强,适于并行处理而得到了广泛应用.     

基于超表面的反射阵天线设计

提出了一种基于超表面的Ku波段高增益反射阵天线.设计了一种"灯笼折线型"结构结合开口方环结构的超表面单元形式,单元大小为0.3λ₀.通过仿真软件进行优化分析,该单元可以实现520°的相移范围且具有良好的相移特性,应用该单元进行了Ku波段高增益反射阵天线的设计,设计了阵面口径大小为160.8 mm×160.8 mm （7.2λ₀×7.2λ₀）的反射阵天线,采用角锥喇叭进行馈电,该反射阵天线获得了较高的增益以及口径效率.同时在卫星通信的上行链路频段14.0~14.5 GHz以及下行链路频段12.25~12.75 GHz范围内具有较好的性能.对该反射阵列进行了加工测试,测试结果与仿真结果较为吻合,从而验证了该反射阵天线设计的有效性.