电磁感应透明超介质:理论.设计及应用/朱磊 作者：朱磊、吴群、孟繁义、傅佳辉 开 本：其他 书号ISBN：9787302530770 定价： 出版时间：2018-06-01 出版社：清华大学出版社

6．3EIT超介质相干完美吸收器概述

第7章全介质EIT超介质仿真、设计与验证

7．1引言

7．2微波段低损耗全介质EIT超介质的构造

7．2．1全介质EIT超介质单元结构

7．2．2全介质EIT效应的数值验证

7．2．3全介质EIT效应的慢光特性

7．3光频段低损耗全介质EIT超介质的构造

7．3．1光频段全介质EIT超介质单元结构

7．3．2光频段全介质EIT效应的数值验证

7．3．3基于“二粒子”模型的EIT效应验证

7．4极化无关和入射角不敏感的全介质EIT超介质构造

7．4．1全介质EIT超介质的单元结构与仿真验证

7．4．2基于“二粒子”模型全介质EIT效应的

数值验证

7．4．3全介质EIT效应极化无关特性的仿真验证

7．4．4全介质EIT超介质的慢光特性

第8章全介质EIT超介质太赫兹器件

8．1引言

8．2基于石墨烯/全介质的可调谐EIT超介质

8．2．1基于石墨烯的全介质EIT超介质单元结构

8．2．2基于石墨烯的全介质EIT效应的数值验证

8．2．3入射角度不同时可调谐EIT效应的

数值验证

8．3全介质EIT超介质极化变换器

8．3．1全介质极化变换器的单元结构

8．3．2全介质极化变换器的数值验证

参考文献

电磁感应透明超介质:理论.设计及应用/朱磊 节选

第5章EIT超介质窄带变极化特性 5．1引言 超介质中的EIT效应由于具有低损耗、强色散等特性，近年来在电磁领域得到了广泛关注。科研工作者常利用EIT超介质实现慢光传播、高敏感度传感器、标尺、电磁感应吸收、控制近场、极化变换等［17,22,40］。这些重要的应用能够实现的关键在于EIT效应伴有陡峭、尖锐的相位色散，也就是说，EIT超介质具有独特的相位特性。2012年，A.B.Khanikaev等指出，利用亮、暗态谐振元素之间的电容耦合可实现圆极化EIT效应，继而实现四分之一波板［52］。因此，我们预见通过合理设计EIT超介质单元，在一个极窄频率间隔内实现明显的相位变化是可能的，这为实现具有窄带变极化特性的超介质结构提供了更为有效的技术途径。 随着现代电子战对保密通信、导弹防御以及电子对抗领域的不断重视，变极化技术成为军事领域中的一个重要研究内容。在一些特殊领域(例如，防御系统)，系统本身是窄带的，而且天线系统也是固定的，因此期望设计一种具有极窄工作带宽的极化控制结构，使得加载该结构的天线能在一个极窄工作频带内，实现不同极化状态的切换。值得注意的是，现有的研究成果大多集中在宽频带极化控制，不能解决窄带系统中的极化变换，而构造一种无源、便于实现的窄带极化控制结构极大增加了设计难度。为了解决上述问题，本章基于EIT效应的强色散特性，以实现超窄带极化控制为目标，研究了EIT超介质的窄带变极化特性。首先，本章通过数值计算和仿真优化证实了由两个SRR组成的平面超介质结构能够模拟实现EIT效应。由EIT效应控制的强色散特性使得超介质结构能在一个极窄频率间隔内实现不同极化状态切换。本章提出的窄带变极化方案，便于加工制造，且可通过缩比原则应用于更高频段，为提高无线系统通信质量提供了一种新的方式。 5．2双SRR EIT超介质的构造与验证 变极化特性的实现原理是基于EIT效应的强色散特性。当超介质结构在同一频率满足下面标准［159］： tx2=ty2(5?1) arg(tx)－arg(ty)=90°(5?2) 那么，该结构能够实现线—圆极化变换。式中，tx和ty为x极化入射波和y极化入射波照射到超介质结构时，超介质的复数传输系数。arg(tx)和arg(ty)为x极化入射波和y极化入射波照射到超介质结构时，超介质复数传输系数的相位。 超介质结构除了要满足上面的标准外，还需要具有陡峭尖锐的相位色散特征，才能够实现具有极窄工作带宽的变极化特性。因此，用于构造EIT超介质的亮暗态谐振单元的非对称程度越低越好，这样EIT超介质就会具有更加陡峭尖锐的相位色散特性。本章构造的EIT超介质单元结构如图5?1所示［177］，它由两个SRR组成，两个SRR结构除了底臂的长度不同之外，其他的几何参数完全相同，因而该超介质结构的非对称程度较低。SRR金属材料为铜，其厚度为35μm，电导率为5．96×107 S/m。两个SRR构造在相对介电常数为3．2的基板上，基板损耗角正切为0．001，厚度为1mm。超介质单元在x方向和y方向的周期为15mm。本章中的数值仿真是利用基于时域有限积分法的电磁仿真软件CST Microwave Studio完成。 根据两个SRR环的等效电路，可以得到SRR环的等效电感L为： L≈μ0l2πln2lw+0．5(5?3) SRR的等效电容C可由下式给出： C=l×C0+H(5?4) C0=ε0K(1－k2)K(k)(5?5) 式中： H为校正因子，与电磁场的边缘效应有关； K(o)为**类完全椭圆积分，k=s/(s+2w)。 两个SRR环之间的耦合电容Cc可由式(5?6)进行估算： Cc=ε0εeAs(5?6) 式中： A为有效面积； s为临近金属条之间的间距。 根据式(5?3)~式(5?6)，能够得到超介质结构透明窗中心频率的分析设计公式： 利用式(5?7)，并利用电磁仿真软件CST Microwave Studio进行仿真优化，能够得到图5?1中EIT超介质单元的几何参数具体为： l1=12．5mm,l2=11mm,l3=6mm,a=b=15mm,w=1mm,h=1mm,g1=1mm,g2=1．25mm。 图5?1EIT超介质单元结构图［177］ 如图5?1所示，EIT超介质单元是由两个背对背SRR组成。其中，两个SRR除了底臂长度不同外，其他几何参数完全相同，这使得两个SRR的环路电感不同，从而导致它们的谐振频率不同。由于上面SRR(Top SRR, TSRR)底臂比下面SRR(Bottom SRR, BSRR)底臂的长度长，因而前者的谐振频率低于后者的谐振频率，但其品质因数Q不同——TSRR的Q值为1．0，BSRR的Q值为2．0。两个SRR品质因数之所以不同是因为它们的辐射损耗不同。具体来说，谐振元素尺寸越大，辐射损耗越大，因而具有较长底臂TSRR具有更低Q值。相反，具有较短底臂BSRR贡献的辐射损耗小，因而BSRR具有更高Q值。通过仔细调整SRR几何尺寸，能够获得不同品质因数且频谱相互重叠的两个SRR。通过将上述两个SRR组合到一起，形成如图5?1所示的EIT超介质结构时，由于两个SRR谐振结构散射电磁场之间的破坏性干涉，一个明显的透明窗出现在传输谱中，如图5?2(a)中实线所示。y极化入射时超介质结构的传输系数也被显示在图5?2(a)中，如虚线所示。从图中可以看出，超介质结构在5．34GHz附近，对两种极化入射电磁波显示出高度透明状态。 图5?2EIT超介质在x极化和y极化入射时的传输系数和传输相位 (a) 超介质的传输系数； (b) 超介质的传输相位 当x极化和y极化电磁波照射到EIT超介质时，超介质传输相位的仿真结果如图5?2(b)所示。从图中可以看出，对于x极化入射波，透明窗中存在一个非常尖锐陡峭的相位色散(如实线所示)。而对于y极化入射波，超介质相位变化速度非常缓慢(如虚线所示)，这明显不同于超介质结构在x极化入射时的情况。对于x极化和y极化入射波，超介质结构在一个极窄频带内相位变化速度明显不同(如图5?2中阴影区域所示)，这使得超介质结构能够成为一个具有极窄工作带宽的极化控制结构。 图5?3EIT超介质表面电流分布 (a)~(c)分别为超介质在频率5．14GHz、5．34GHz、5．79GHz的表面电流分布

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