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上篇 微波左手超材料3

第1章 左手超材料基本概念与现状3

1.1 左手超材料3

1.2 拥有负参数的人工超材料5

1.2.1 负有效介电常数6

1.2.2 负有效磁导率7

1.2.3 左手超材料的实现9

1.2.4 手性双各向同性超材料10

1.2.5 复合左右手传输线超材料12

1.3 超材料设计——从静态场到可见光14

1.4 超材料的有效电磁参数19

1.4.1 散射参量提取法19

1.4.2 实现负折射率的充要条件22

1.5 超材料新物理特性及应用26

1.5.1 超级透镜与突破衍射极限26

1.5.2 光学隐形与变换光学30

1.5.3 捕获彩虹效应36

1.6 超材料领域面临的挑战40

1.6.1 克服本征损耗41

1.6.2 实验实现光频段超材料41

1.6.3 三维超材料的发展42

参考文献43

第2章 六边形结构单元与缺陷效应53

2.1 引言53

2.2 负磁导率材料53

2.2.1 六边形SRRs设计53

2.2.2 六边形SRRs制备及测试装置58

2.2.3 单个六边形SRRs测试59

2.2.4 两个六边形SRRs的相互作用63

2.2.5 负磁导率的实现65

2.3 负介电常数材料66

2.3.1 几何参数对等离子体频率的影响66

2.3.2 电连续性对谐振频率的影响68

2.3.3 负介电常数的实现70

2.4 实现左手超材料70

2.4.1 样品制备与透射测量70

2.4.2 负折射测量73

2.5 负磁导率材料的缺陷效应74

2.5.1 引言74

2.5.2 一维材料的缺陷效应75

2.5.3 二维材料的缺陷效应79

2.6 左手超材料的缺陷效应88

2.6.1 引言88

2.6.2 单层SRRs的缺陷效应88

2.6.3 三层SRRs的缺陷效应93

2.6.4 左手超材料的禁带现象97

2.6.5 含LHMs一维光子晶体的反常禁带103

2.7 左手超材料微波反射特性113

2.7.1 引言113

2.7.2 左手超材料反射仿真113

2.7.3 测量仪器及步骤116

2.7.4 负介电常数材料反射116

2.7.5 负磁导率材料反射117

2.7.6 左手超材料反射119

2.7.7 禁带左手超材料反射特性121

2.8 缺陷对左手超材料负折射的调控125

2.8.1 点缺陷与空位对负折射率的影响125

2.8.2 缺陷调控的双带负折射率131

参考文献135

第3章 由V结构单元构筑负磁导率材料与左手超材料140

3.1 引言140

3.2 V结构单元及磁谐振分析140

3.2.1 样品设计及制备140

3.2.2 实验平台及数值仿真软件141

3.2.3 一级Ⅴ结构142

3.2.4 二级Ⅴ结构144

3.2.5 三级Ⅴ结构145

3.3 双V结构的相互耦合146

3.3.1 高级分支对磁谐振的影响146

3.3.2 环间距对磁谐振的影响147

3.3.3 三分支Ⅴ结构的磁谐振149

3.4 Ⅴ结构左手超材料151

3.4.1 平行入射151

3.4.2 垂直入射154

参考文献159

第4章 树枝状结构负磁导率材料与左手超材料162

4.1 引言162

4.2 树枝状结构负磁导率材料162

4.2.1 模型构造及分析162

4.2.2 实验样品制备163

4.2.3 微波实验测试平台163

4.2.4 仿真环境设置164

4.2.5 结果与分析166

4.2.6 各种形貌及结构参数影响169

4.3 树枝状结构左手超材料170

4.4 单一结构树枝状左手超材料172

4.5 垂直入射条件下的树枝状左手超材料183

4.5.1 模型构造及分析183

4.5.2 实验样品制备与测试184

4.5.3 结果与讨论184

4.6 树枝状超材料的分形维数调控188

4.6.1 模型构造及理论分析189

4.6.2 数值仿真与微波实验192

4.7 超材料透镜亚波长成像质量评估195

4.7.1 引言195

4.7.2 突破衍射极限成像原理196

4.7.3 平板透镜制备及实验平台198

4.7.4 不同配置条件实现透镜成像199

4.8 准周期及无序分布的树枝状结构超材料207

4.8.1 引言207

4.8.2 准晶排列的树枝状超材料208

4.8.3 树枝状超材料的无序效应212

4.9 基于电流变液的树枝状超材料通带调谐218

4.9.1 引言218

4.9.2 原理与测试装置218

4.9.3 电流变液调控的单连通树枝状结构超材料220

4.9.4 可调谐双连通树枝状超材料225

参考文献230

第5章 其他结构超材料235

5.1 引言235

5.2 树叶状结构左手超材料235

5.2.1 模型分析236

5.2.2 微波段树叶状左手超材料236

5.2.3 多层结构树叶状左手超材料240

5.2.4 光频段树叶状左手超材料241

5.3 低损耗“蝴蝶结”左手超材料243

5.3.1 引言243

5.3.2 结构模型244

5.3.3 结构参数调节与透射行为245

5.3.4 低损耗“蝴蝶结”结构超材料247

5.4 H结构左手超材料252

5.4.1 结构单元设计与实验252

5.4.2 实验结果与分析252

5.4.3 左手特性验证255

5.5 手性超材料258

5.5.1 引言258

5.5.2 手性超材料广角90°极化旋转器259

5.5.3 复合手性超材料90°极化旋转器271

5.5.4 圆极化波全相位手性超材料287

5.6 准相位匹配非线性左手超材料292

5.6.1 引言292

5.6.2 结构设计与结果294

5.6.3 非线性效应与准相位匹配296

参考文献299

第6章 超材料电磁参数计算方法306

6.1 引言306

6.2 双各向异性媒质的宏观和微观参量311

6.3 双各向同性媒质本构方程的其他形式314

6.4 不同形式本构方程中宏观参量的相互转换314

6.5 超材料宏观参量计算方法316

6.6 坐标系选择318

6.7 计算示例321

6.7.1 六边形开口谐振环阵列的磁导率321

6.7.2 树枝状结构阵列的磁导率325

6.7.3 金属杆阵列的介电常数326

6.7.4 左手超材料的介电常数和磁导率329

6.7.5 六边形开口谐振单环阵列的磁导率和电磁耦合系数331

参考文献334

下篇 微波超表面器件339

超表面研究简介339

参考文献344

第7章 超材料吸收器346

7.1 引言346

7.2 窄带超材料完全吸收器347

7.3 多带与宽带超材料完全吸收器351

7.3.1 多带完全吸收器351

7.3.2 宽带完全吸收器354

参考文献359

第8章 圆片结构多带与宽带超材料吸收器364

8.1 圆片结构窄带吸收器364

8.2 圆片结构多带吸收器369

8.3 圆片结构宽带吸收器373

8.3.1 第一种宽带吸收器373

8.3.2 第二种宽带吸收器375

参考文献380

第9章 树枝状结构超材料吸收器381

9.1 树枝状超材料窄带吸收器381

9.2 树枝状超材料宽带吸收器383

9.3 阻抗匹配树枝状超材料吸收器387

9.3.1 设计原理387

9.3.2 样品制备388

9.3.3 实验及仿真结果388

9.4 树枝状结构共形吸收器392

9.5 无序排列对吸收器特性的影响393

9.6 高阻抗薄膜树枝状宽频吸收器397

9.7 树枝状超材料吸收器的RCS402

9.7.1 雷达散射截面402

9.7.2 高阻抗薄膜树枝状吸收器的RCS404

9.7.3 金属树枝状超材料吸收器的RCS409

参考文献413

第10章 树叶状结构超材料吸收器415

10.1 微波段树叶状结构吸收器415

10.2 红外波段树叶状结构吸收器417

10.2.1 单频树叶状结构吸收器417

10.2.2 双频树叶状结构吸收器420

参考文献423

第11章 超材料天线424

11.1 近零折射率高方向性天线424

11.2 光子带隙和电磁带隙天线426

11.3 法布里-珀罗谐振腔天线431

11.4 梯度折射率平面透镜和相控阵天线覆层433

11.5 复合左右手传输线天线437

参考文献441

第12章 超材料基板微带天线445

12.1 引言445

12.2 树枝状负磁导率基板微带天线445

12.2.1 负磁导率材料设计与制备445

12.2.2 超材料的电磁谐振行为447

12.2.3 树枝状结构超材料微带天线448

12.2.4 讨论452

12.3 正方形结构负磁导率基板微带天线455

12.3.1 负磁导率材料455

12.3.2 负磁导率基板宽带微带天线457

参考文献462

第13章 复合左右手传输线微带天线465

13.1 引言465

13.2 非平衡态复合左右手传输线双频天线465

13.2.1 天线设计理论466

13.2.2 天线模型469

13.2.3 结果470

13.3 负介电传输线微带天线473

13.3.1 矩形负介电传输线天线473

13.3.2 圆形负介电零阶谐振器天线484

13.3.3 多频双模和双频／宽频全向天线492

13.4 水平面高增益全向微带天线510

13.4.1 引言510

13.4.2 设计原理510

13.4.3 参数分析512

13.4.4 水平面高增益双磁流环天线515

13.5 双模双磁流环天线的阻抗匹配518

13.5.1 贴片耦合双模双磁流环天线519

13.5.2 缝隙耦合馈电双模双磁流环天线524

13.6 增强传输结构高方向性天线527

13.6.1 引言527

13.6.2 增强传输结构528

13.6.3 高方向性辐射530

参考文献534

第14章 谐振腔结构超材料微带天线540

14.1 引言540

14.2 各向异性负磁导率微带天线540

14.2.1 天线辐射机理540

14.2.2 负磁导率材料和天线设计542

14.2.3 结果与讨论544

14.3 近零折射超材料谐振天线548

14.3.1 引言548

14.3.2 网格状零折射率天线548

14.3.3 树枝状零折射率天线553

14.4 超低剖面高增益谐振腔天线566

14.4.1 引言566

14.4.2 天线分析与设计566

14.4.3 结果与讨论568

14.5 手性超材料圆极化天线574

14.5.1 引言574

14.5.2 手性超材料574

14.5.3 基于手性超材料的圆极化微带天线576

参考文献580

附录583