设计和量化分析可控的掺杂左手材料外文翻译资料

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设计和量化分析可控的掺杂左手材料

LIU Wen, ZHANG Hong-xin，WANG Hong， LUuml; Ying-hua，北京邮电大学，电子工程学院。

CHEN Nan，北京国家铁路信号与通信研究院

MEN Shuo，重庆理工大学电子信息与自动化学院

摘要

两种可控掺杂左手材料(DLHMs)是由电感插入传统左手材料(LHM)的电感DLHM和DLHM电容器(CDLHM)分别作为异质元素,。透射谱的特点的研究了时间限差分法(FDTD)的利用。与传统的LHM相比，LDLHM的共振强度通带是削弱和缩小的, 但是由于插入电感的值的增加,带宽增大。当电容器插入到LHM内时，CDLHM的滤波通道扩大，但是滤波通带转移到低频率并且这个通带缩小的值等于电容器增加值，与此同时，新生成的滤波通道也转移到低频率。因此，可控的量化掺杂可以实现左手材料。

关键词电磁学，左手材料，通带，电容器，电感

介绍

近年来，因为左手材料（LHMs）实现了超材料，使得它们在电磁（EM）和微波领域变得越来越受欢迎[1-2]。科学杂志甚至将LHMs称为2003年十大科学突破。它已经证明了一串连续的金属线阵列可以在第一禁带从0赫兹到等离子体频率较低的GHz范围,有效介电常数的数值是负的[3]。另一方面,一个开口环谐振器(SRRs)的数组可以表现出负的有效渗透率频率，这些频率接近结构的磁共振频率[4]。通过这些SRRs和细导线的结合,史密斯在2000年首次给出了LHMs的实验演示[5]。当电磁波在LHMs中传播时，它可以观察到负折射定律,逆多普勒效应,和反向Cerenkov辐射[6]。然而,目前负设计几个滤波器通和这些材料的可控性也需要改善。

本文研究量化可控掺杂左手材料的概念如下:变化的透射谱可以通过控制电感和电容的插入左手材料值来实现;掺杂左手材料的传输性能由DLHM进行了电感与电容的分析。首先,SRR-only数组的数值模拟是由使用有限差分时域方法(FDTD),并与仿真结果Bayindir测量得到的[7]。一个与Bayindir测量很好的仿真结果使用了DLHMs透射谱的FDTD特征研究。仿真结果表明,LDLHM滤波器通带窄,能使共振削弱相较传统的左手材料。

然而CDLHM可以扩大滤波通道,也生成了新的滤波通道。但随着电感或电容的增加,LDLHM的带宽扩大，CDLHM的带宽缩小。因此,传统左手材料的可控性得到了改善。

2.开口环谐振器

我们第一次执行的是SRR数组数值模拟，由穆罕默德Bayindir[7]的SRR参数结构如图1(a)所示。单元细胞SRR 毫米d=w=t=0.33 ，l=3毫米。SRR厚度为30micro;m。图1(b)介绍了嵌入式定周期排列介质板组成的超材料。

穆罕默德测量了电磁波SRR结构[7]响应,图2(a)表明,负的超材料展览8.7 GHz和之间的禁带10.2 GHz。

我们的数值模拟是基于FDTD方法。在FDTD模拟、单位原件采用的相同测量。我们沿传播方向和周期边界双方都垂直于传播的情况使用了25个单位原件规定方向。图2(b)显示了计算传输光谱的负折射超材料。SRR使用能很好符合穆罕默德禁带条件的8.7 GHz 9.4 GHz测量频率。

3掺杂左手材料

这里讨论两种掺杂左手材料LDLHM和CDLHM。以下导线和SRR模拟与图3数组结构相同。

SRR的晶胞参数数组d=w= t= 0.3毫米，l=5.1毫米。电线和SRR设置在介质板的两边。每两根线之间的距离是r =3.3毫米, 每两个SRRs之间的距离n =2.1毫米。金属线是连续的，他们的宽度和厚度分别是0.3毫米和30micro;m。另一方面,SRR也为30micro;m厚。介质板的介电常数为ε=4.41并且都是21.6mm波长。

在下面的模拟当中, 电磁波沿X轴传播，电场沿Y轴极化, 而磁场极化是平行于Z轴。完全匹配层(PML)吸收边界条件采用在X方向上利用Y和Z的方向的周期性边界条件。每两个极板在Z方向上距离2.1mm。每个网格的尺寸数值模拟是x =y =z=0.15mm。此外,FDTD模拟电感和电容作为异质元素集中的元素小于每个网格的大小。

3.1掺杂电感的左手材料(LDLHM)

LDLHM通过设置为SRR连续电感上的传播方向。每个电感的值L=1times;10的负11次方。然而,另一边的只有导线如图3所示(b)。图4(a)给予LDLHM细节图。三行连续电感沿Y轴嵌入在介质板上表面长为21.6mm。介质板距离底部的边缘SRR 为0.6mm, 每两个单元之间的距离理论为2.1mm。介质板距离电感器为0.6毫米,两个单元之间的距离是7.2mm。

图4(b)显示了计算的透射光谱分别叙述了传统左手材料和仅有电感数组的LDLHM。作为异构后的电感器插入元素,很明显,传输峰值4.8 GHz滤波通带削弱和LHM8.0 GHz 10.0 GHz频率范围从8.7 GHz转移到10.0 GHz。这些变化可以解释的以下原因。每两个之间的电容列的连续电感的高通滤波验证了图4(b)。因此,我们观察了透射谱的阻带从0 Hz 仅有电感开始数组。针对这一点,4.8 GHz周围的共振减弱了造成引入电感的阻塞影响。同样的原因LDLHM也收窄了带宽。

另一方面,上述现象可能是解释为电等离子体频率的变化。电等离子体频率f p(Pendry作为[3 - 4]线阵列其中一个是线晶格间距和r线半径。它是众所周知的,连续的电线可以有第一个禁带为0 GHz的等离子体频率。再加上核磁共振,会出现一个滤波f和左手材料发生共振。因为介质板很薄,虽然连续电感器插入在另一个方面,相当于金属晶格间距减少和LDLHM的电子等离子体频率根据情商增加。但磁等离子体SRR的频率并不相同。增加电等离子体频率,电动的重叠区域共振会使磁共振变得更少。因此LDLHM引入了缩小带宽后的电感。

然后我们改变LDLHM的电感值研究了透射谱的变化。通过保持其他参数不变, 我们计算了三种LDLHMs透射光谱电感值。L1= 1times;10 *-11 H, L2= 1times;10 *-10 H，L3= 1times;10 *-9 H。 如图5所示,其中有电感值的增加、滤波扩展, 但几乎没有在4.8 GHz共振的影响。根据提出的准静态模型Maslovski[8],线的电等离子体频率数组也可以为的平均相对介电常数ε是一个单元导体, L代表导线的总单位长度电感和磁通量psi;成正比。LDLHM,电感的值是不同的,相当于晶格间距保持一个常数。增加插入的电感,磁通psi;单位细胞和介质的总电感将会使单位长度增加。最终,电等离子体LDLHM降低了相应的频率。等离子体频率下降导致的重叠区域电磁共振、磁共振越来越大产生膨胀的带宽。

当电感器位于所示图6(a),得到透射光谱,在图6(b),类似于图5。电感值L1= 1times;10 *-11 H，L2= 1times;10 *-10H，L3= 1times;10 *-9H。也证明了LDLHM带宽的扩展增加了电感。

3.2掺杂电容的左手材料(CDLHM)

CDLHM由插入一组连续电容器每两行之间的电线。从左手材料一侧的介质板是保持不变的，图4所示。每个电容器的值C = 1 pF。距离底部的介质板边缘的导线线是1.5毫米,底部的距离介质板的边缘电容是3.3毫米。前面表面CDLHM图7所示(a)空间的每两行电容器之间的距离是d 1 = 3.6毫米的每两行之间的导线是d 2 = 3.6毫米。当测试CDLHM材料时, 传播谱也与传统的左手材料和电容器结构显示区别图7(b)。

相比传统的透射谱左手材料，这种CDLHM给滤波通带从10.5GHz 上升到一个新的频率12.5 GHz。此外8.0 GHz之间的滤波器通和10.0 GHz从7 GHz转移到 11.3 GHz。这些现象可以解释如下。电容器在微波等效电路模型频率可以视为一系列的电感和电容谐振元素(SLCREs)。这是因为有电感组件引入电容器的结构。磁通psi;在CDLHM单元原件电感会增加总长度。作为一个原因,CDLHM的等离子体频率下降,产生膨胀的带宽。如前所述,连续线的高性能通滤波。但只有电容器结构特性图7所示的低通滤波(b)。这样不是共振在4.8 GHz削弱。新生成的滤波器从10.5 GHz引入了电容器之间的交互和左手材料结构。

然后我们改变电容研究CDLHM的量化可控值。通过保持CDHLM其他参数不变,我们计算了CDLHMs透射光谱与电容的三个值 C 1 = 1 pF,C 2 = 2 pF C 3 = 3 pF。图8展示了的变化光谱。插入增加电容的值, 在4.8 GHz的共振几乎没有变化。然而,滤波器通移动到低频率后带宽缩小。此外,新生成的波也转移到低频率。

因为介质板的厚度很薄,设置的导线的和SRRs很近,那里之间的互感结构在空间前面。根据文献[1],等效电路从理论模型描述了图9所示。左边的部分是左手材料的等效电路,正确的部分是等价的SLCREs的电路。R,L和C的等效电阻整个结构,等效电感和等效分别从理论的电容,L和C确定了磁等离子体频率;L g和C g的SLCREs等效电感和电容；M是互感。

Z′是额外的电容或者电感。很明显,如果L g和C g的值是选择在一个特殊的响应得到omega;2LgC g gt;1,那么Z′将有电容的特性; 否则,它将会有一个电感的特性。因此,当L g和C g的值改变, SRRs磁等离子体频率将发生变化。

因为磁等离子体频率非常巨大[1],即使L g和C g的值很小,Z′也有一个电容的属性和额外的电容显现。因此,SRRs从移动的磁等离子体频率高频率很显然，随着C g的增加,附加电感C′会变得更高,omega;m将会减少。作为结果, 频率区域中micro; eff的实部是负的,可以被转移到一个较低的频率范围缩小同样的时间单位。

当电容器位于侧面图所示图10(a)时,这个CDLHM的透射光谱在图10(b),这样类似于图8。电容值分别为C1 =1 pF ,C2 =2 pF ，C3 =3 pF。它也证明了波移动到低频率和带宽的减小和插入的电容时的增加。

文献[9]中提到,通过调整结构和它的形式共振频率和带宽可调大小。这种方法可以提供相当大的调整，然而,滤波器通它无法给出一个连续的广泛的调整。SRRs对电感电容器作为异构元素来实现调整与量化可控调整左手材料。前者是命名为“粗糙调整”,后者称为“微调”。它可以从上面的推导出电感和电容通带很大程度上可能会影响产生一个连续调整滤波的量化可控掺杂左手材料。当这两个方法组合在一起,它将成为一个能相当大的连续调整滤波通带LHHs的方法。

4结论

本文提出了两种DLHMs材料和分析。相比传统的左手材料LDLHM表明共振减弱和带宽缩小;而CDLHM的一个扩展滤波器产生一个新的滤波器。此外,DLHMs的传播特征有不同的电感和电容也被研究。仿真结果表明,该带宽的扩展增加了值的电感值。当电容引入左手材料, 滤波通道转移到缩小低频率。带宽在电容增加的时候变得狭窄。材料的传输属性很好解释量化可控DLHMs的概念。在未来的工作中,我们将研究DLHMs微波设备。

感谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金(60871081),和北京邮电大学研究创新大学基金(2010),北京自然科学基金(微型智能天线设计和制造的基础超材料,4112039)的支持。

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