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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RCS 402

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RCS 404

9.7.3 金属树枝状超材料吸收器的RCS 409

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