具有双负折射率通带的双结构单元渔网电磁超介质的数值模拟研究

基于传统的＂金属-电介质-金属＂渔网状电磁超介质,平行和交叉排列具有不同介电常数介质板的两种单元,利用数值方法研究了两种排列方式下渔网电磁超介质的左手行为.与采用单一介质板相比,使用两种电介质板形成的双结构单元渔网结构能够使不同的单元在不同频率下谐振,表现出双负折射率通带.利用楔形结构和后向波模拟验证了两种排列方式下双结构单元渔网结构的负折射特性.利用双结构单元渔网结构,可以通过调节介质板的介电常数,同时在一个或多个频率带实现负折射,这为制作性能更为优良的多频带滤波器和变频通信微波器件等提供了一种可行方法.     

左手材料的性质及研究动态

左手材料(也被称为负折射率材料)最早由前苏联科学家Veselago在20世纪60年代从理论上提出来的,是一种具有介电常数和磁导率同时为负值的材料,它具有诸如负相位速度,负折射率,理想成像,逆Doppler频移及反常的Cerenkon辐射等多种奇异的物理现象。本文主要论述左手材料的性质并分析左手材料全新应用前景,简要介绍左手材料近年来的研究动态及发展前景。     

左手材料的性质及研究动态

左手材料(也被称为负折射率材料)最早由前苏联科学家Veselago在20世纪60年代从理论上提出来的,是一种具有介电常数和磁导率同时为负值的材料,它具有诸如负相位速度,负折射率,理想成像,逆Doppler频移及反常的Cerenkon辐射等多种奇异的物理现象.本文主要论述左手材料的性质并分析左手材料全新应用前景,简要介绍左手材料近年来的研究动态及发展前景.     

左手材料和负折射

就上世纪60年代关于其理论预言开始,着重介绍了左手材料和负折射现象的基本原理及主要应用,并结合近几年的研究成果,指出在结构设计和理论完善等方面仍需进一步研究．     

左手材料

左手材料同时具有负的介电常数和磁导率及负的折射率,与电磁波的相互作用和传统材料有本质的区别。针对左手材料的基本特性及其设计与制备的一些相关问题,作了简单的总结和介绍。     

新型全电介质平板结构负折射性能的模拟分析

利用全电介质材料,设计了一种新型的高介电质平板-普通介电质-高介电质平板结构.该平板结构中入射电磁波激发的位移电流取代金属材质左手材料中的传导电流,在特定的激发模式下可以产生负折射现象.利用提取的有效介质参数和楔形棱镜模拟证实了这种全电介质结构的左手性能,并研究了高介电质平板尺寸变化对负折射率通带的影响.用具有高介电系数的介电质材料构筑左手材料可以克服传统的基于金属基元的左手材料在红外和太赫兹波段面临的结构复杂和损耗问题,为高频低损电磁超介质的开发提供一种新的结构设计思路.     

具有谐振特性的双通带左手材料的设计

通过对谐振型左手材料的理论分析,提出了一种新型双通带左手材料的单元结构.该结构由E型和双谐振环形构成的谐振器与金属线组合而成,其中谐振器实现负磁导率,金属线实现负介电常数.利用电磁仿真软件,分析该材料单元结构的谐振特性,提取该结构的折射率、波阻抗以及介电常数、磁导率.仿真结果表明:该结构在其工作频段内存在2个通带,并且在这2个通带内该结构都具有左手特性.     

电磁波负性运动与媒质负电磁参数研究

用经典力学分析有质有形物体的运动时,速度是矢量,负速度表示反向运动.但对无质无形的波的运动而言,速度可为标量,不能说负速度仅代表流向反了过来.该怎样理解这种现象的含意?对负波速(NWV)而言,例如当脉冲通过特定媒质时具有负群速(NGV),数值为c/ng(ng＜0),它不仅比脉冲通过真空时的速度(光速c)快,而且快到进入媒质前就离开了媒质.由此本文提出了“电磁波负性运动”的概念,并将其与简单的“反向运动”相区别.我们必须接受D'Alembert方程的超前解,理解负速度概念.可以说,自然以她的真实和丰富给我们上了一课,今后她还将继续教导我们.事物的二元性是世界的本质.在现代物理学中,电磁参数成为负值或电磁波作负性运动均常有发生.物理参数为正或为负的本身是自然界对称性机制之一,对其作研究是探索客观规律的一个新途径.     

从负折射超材料到光学隐身衣

1964年俄罗斯科学家V.Vesalago从Maxwell方程组出发断言具有负折射率的左手材料(LHM)可以存在,1996年和1999年J.Pendry提出了LHM的初始设计。2000年D.Smith制成首个LHM,它可把微波波束弯折到与常规的不同方向。近年来LHM吸引了人们的兴趣,它也称为超材料,但在自然界并不存在。它可变更电磁波传播,从而造成负折射甚至隐形。一个时期以来,在微波和光频进行的隐身斗篷实验是2D或3D的,它们与通常的隐形方法显著不同。LHM的其他应用如左手传输线、成像技术等。本文首先对负折射研究和隐身衣设计的历史和进展作回顾,进而讨论了这些领域中理论与实验工作的意义。可以看出负折射问题是非常复杂的。还讨论了负折射与负波速、负折射与负GH位移的关系。     

电磁波在左手材料中传播形成椭球和球形的色散关系

在某种特定条件和色散关系下,发现TE和TM偏振波在各向异性左手材料中传播时会形成不同的波矢面和折射关系,但波矢面的形状是相同的;而在各向同性左手材料中传播的TE和TM偏振波会形成相同的波矢面和折射关系。     

用惠更斯作图法研究左手材料的负折射现象

针对理解电磁波在左手材料中的传播特性,在详细分析了该介质中电磁波波矢量k的方向、大小和坡印廷矢量s之间关系的基础之上,根据电磁场理论探讨了电磁波在右手、左手材料分界面上的反射和折射(各介质都是各向同性的)现象。并运用惠更斯作图法解释了电磁波由右手材料穿越左手材料时的负折射现象。指出发生负折射现象的根本原因是由于电磁波在左手材料中传播时其波矢量与坡印廷矢量的方向相反。     

基于NB-IoT的近海渔网示位标系统

为解决通航水域密集分布的渔网AIS示位标堵占AIS信道,干扰AIS系统等问题,设计一种基于NB-IoT(Narrow Band internet of things)的渔网示位标。采用NB-IoT技术替代传统的AIS技术,示位标的定位等信息通过窄带网络上传到云服务平台供用户查看,且目标用户可远程控制设备,对现有AIS系统不会造成干扰。实验结果表明,基于NB-IoT的渔网示位标(以下简称“渔网NB示位标”)能够在内河及沿岸海域满足渔民寻网需求,且在设备体积、抗干扰和功耗方面较传统渔网AIS示位标更有优势。     

Electromagnetic behavior of two-dimensional quasi-crystal left-handed materials with dendritic unit

We demonstrated a two-dimensional quasi-crystal dendritic structure model with negative permeability. The microwave transmission and reflection properties of periodic and quasi-crystal dendritic structure mediums with varied angle incidence were measured. The results showed that the resonant peaks of quasi-crystal negative permeability samples and left-handed samples had tiny shift with the altering of incident angle. Because of the influence of coupling between quasi-crystal dendritic cells, the resonance of the entire material was enhanced or weakened. The quasi-crystal dendritic structure model will provide an easy method to design isotropic left-handed materials （LHMs）.     

Theoretical investigation of negative refraction in metallic and ferromagnetic composites

A new design of LHM (left handed material) is suggested, in which the wave vector k and the energy flow S (the Poyming veclor) are in the opposite direction. Metallic cores or lines are coated with ferromagnetic layers to obtain negative permittivity and permeability. This design may bring some improvements over the binary design, such as higher homogeneity, smaller volume size, lower power loss, higher convenience and economy. The analytical expressions for the permiltivily s and permeability μ are shown to be negative in certain direction and frequency regions. Two specific structures are theoretically discussed and proved to be left-handed.     

左手材料平板波导的特性研究

研究了左手材料平板波导中的电磁波传播特性,分析了此类波导与传统电介质平板波导性质上的差异,特别是在截止频率方面的差异.发现左手材料平板波导m=1导模是一个带通模,对于同一频率、同一模序数有可能存在着两种导波传播模式.     

左手材料表面的电磁波反射特性

研究电磁波从真空投射到左手材料表面时的反射和折射现象,分析了反射波和折射波的振幅、偏振、相位的特征.研究表明,根据电容率ε和磁导率μ取值,可以将左手材料分为两类,它们具有不同的布儒斯特角,其反射波的偏振特性明显不同.对于电场垂直或平行于入射面的情形,折射波的相位行为相同,但是在布儒斯特角两侧反射波的相位跃变表现不同的特征.还探讨了εμ>1和εμ<1两种左手材料对反射波相位行为的影响,分析了反射波的相位特征,并对电磁波从真空投射到一般右手材料和投射到左手材料的情形进行了比较.