闭合波导中高效率和宽频带的电磁感应透明度效应外文翻译资料

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闭合波导中高效率和宽频带的电磁感应透明度效应

Xian Qi Lin, Jia Wei Yu, Yuan Jiang, Jun Ye Jin, and Yong Fan

电子科技大学电子工程学院基础科学EHF重点实验室，成都611731

（2012年4月19日收到; 2012年8月13日接受; 2012年8月27日在线发布）

本文提出了一种有效的方法来减轻电磁感应透明（EIT）设计中大群延迟与宽频带之间的冲突。分别提出了两种电诱导透明（E-IT）和磁诱导透明（M-IT）。 然后结合独立的E-IT和M-IT结构，开发出具有宽透明度窗口的EIT。 所有透明胶片均采用闭式波导系统设计，同时获得高效率。 制造一个样品并且带宽增加到3倍以上而不减小群延迟并且增加尺寸。 VC 2012美国物理学会。[http://dx.doi.org/10。1063/1.4748121]

电磁诱导透明（EIT）是一种相干控制技术，用于消除介质在电磁辐射传播束中的不透明效应。它通常会在宽吸收带上形成极窄的透明窗口。 Boller，Imamoglu和Harris在光学不透明的锶蒸气中证明了这种效果。在该透明度窗口内还创建了极端色散和大群延迟，可用于减慢甚至冻结光传播。基于EIT效应，在量子尺度上报告了许多应用。最近，一些研究表明，使用非量子结构也可以实现EIT效应，例如集总电路，裂环谐振器，纳米等离子体“分子”，多层鱼鳞型结构，耦合金属条纹天线，Fano型谐振结构，个和三U型谐振器。在这些EIT结构中，分别引入了两个本征模式，分别称为“亮”模式和“暗”模式。明亮模式表现出与辐射场的强耦合，而暗模式则通过耦合到明亮模式而激发。另一种稍微不同的方案，即使用两个不同振荡器对外场的不对称耦合，也被用来模仿EIT现象。两个具有强烈偏离Q因子的可激发共振是独立设计的，因此提出了实现EIT不同性能的更多可能性。

所有上述提到的EIT结构都被自由空间中的平面波激发，并且大多数测量的透明度小于80％。 此外，由于只有一个“暗”模式与“明”模式产生耦合，因此透明窗口非常窄，这导致实际应用中的许多限制。 本文的扩大透明度窗口的技术主要集中在级联多层结构上，这导致大尺寸，更多的插入损耗和不方便的应用。 本文中，我们提出了一种高效率的闭合波导中的EIT。具有高Q因子的两个独立的“暗”模式被捕获到具有极低Q因子的“明”模式，因此透明窗口会随着大的群延迟和紧凑尺寸而不断加宽。

诸如同轴电缆，金属矩形波导，光纤等封闭波导系统可以在射频、微波和光学区域实现低传输损耗的电磁传播。在这里，我们选择金属矩形波导来引导外场。 在中心E平面中插入矩形环，通过该矩形环可以容易地获得具有低Q因子的“明”模式。 原理图结构如图1所示，其中选用标准Ka波段波导（a = 7.112mm和b = 3.556mm），所有插入的金属结构均在Rogers 5880基板上制造，厚度为0.254mm 和相对介电常数 = 2.2。 我们发现中心E平面插入具有最小的辐射损耗，并且在波导器件设计中被广泛采用。

为了获得具有低Q因子的“亮”模式，需要将环强耦合到外部场。对于矩形波导，主传播模式是TE 10，其中最大的电场分布在平面中心E中。这表明插入中心E平面的任何结构与外部电场具有强耦合效能。作为没有任何分裂的矩形环，电子共振更容易被激发，并且耦合水平主要与h 1 = b的值成比例，其中h 1是环的高度。

如果环结构设计为具有更大的h 1而不是l 1，则可以获得更强的耦合。这种设计概念由高频结构模拟器（HFSS）验证。在图1中比较了具有l 1和1 1的不同组合的三个环结构的传输响应以及在谐振频率下的典型表面电流分布。所有谐振频率在34 GHz附近固定但具有不同的Q因子。当l 1 = 2：0 mm和h 1 = 3：0mm时，实现极低的Q因子（Q lt;2），其对应于宽吸收带。

图 1.具有固定w = 0.15mm的矩形波导中的低Q电谐振器的示意结构，模拟传输和对应电流分布。

现在，我们采用l1frac14;2：0mm和h1frac14;3：0mm的矩形环来产生具有极低Q因子的“亮”模式，基于此，我们有希望实现具有不同性能的不同EIT。我们注意到我们插入的基板位于中心E平面并垂直于磁场。这表明电和磁共振都可以很容易地与“明”模式耦合，作为“暗”模式。在这里，我们首先通过集成I形电谐振器来研究电感应透明度（E-IT）。该示意性结构在图2的子图中示出，其中h 2 = 2：4mm是固定的并且在常规制造技术的限制下接近最大高度。所有金属条的宽度和I形谐振器与矩形环之间的间隙选择为0.15mm。图2中显示了具有不同l 2的三个E-IT以及相对组延迟和中心E-IT频率处的典型表面电流分布。我们观察到I形结构和矩形环上的电流具有反相，这导致E-IT带。较大的l 2导致较低的E-IT频率和较窄的透明带，这也导致较大的群延迟。这也表明宽带和大群延迟是一对矛盾的性质。我们无法同时实现具有大群延迟和宽频带的单个E-IT。这种矛盾也发生在磁感应透明度（M-IT）中。值得一提的是，中心E-IT频率两侧的不对称响应与自由空间中平面波激发的EIT不同，主要是外部电场沿插入结构的相移引起的。在波传播方向上。换句话说，如果我们提出的E-IT结构旋转90°，并且垂直于波传播方向结束，沿着我们的核心结构的相移是可忽略的，然后将呈现对称的EIT响应。然而，这种设计将导致大的能量损耗和实际应用中的不便。

为了减轻群延迟和频带之间的冲突，我们建议将两个独立的“暗”模式捕获到一个“明亮”模式。 在最终设计之前，我们想研究M-IT结构的特性，如图3子图所示。对称裂环谐振器（SRR）隐藏在矩形环后面（与基板相对）。 通过调整g的间隙宽度可以很容易地改变M-IT频率，而透明带宽和群延迟几乎保持不变。 该结论也通过全波模拟验证，结果如图3所示。

图2. 本文提出的E-IT的示意结构，模拟传输，群延迟和典型电流分布。

图 3. 本文提出的具有固定l1frac14;2：0mm和h 1 = 3：0mm的M-IT的示意结构，模拟传输，群延迟和对应电流分布。

图 4. 拟议EIT的原理图结构，模拟传输和群延迟，固定l1frac14;2：0mm，h 1 = 3：0mm，l 2 = 0：6mm，h 2 = 2：4mm

现在，我们将E-IT和M-IT结合起来，实现具有宽透明带和大群延迟的EIT。 该示意性结构在图4的子图中示出，其中SRR隐藏在矩形环的后面，通过该矩形环获得E-IT和M-IT之间的可忽略的干扰。 为了更好地说明组合E-IT和M-IT的这种独立性，一个E-IT（Q = 12和最大群延迟0.21ns），l 2 = 0：6mm，h 2 = 2：4mm，三个MIT（Q？45，最大群延迟约0.55ns），l 1 = 2：0mm，h 1 = 3：0mm， 采用各种g = 0.4,1.0,1.6mm。 合成效果如图4所示。当g = 0.4或1.6mm时，可实现两个透明窗口。 通过调整g，两个透明窗口可以合并为一个宽窗口。 更重要的是，E-IT和M-IT的最大群延迟几乎保持不变。

我们还制作了一个拟议的EIT样本，其中g = 0.95mm的大小进一步优化，以便从E-IT频段更好地过渡到M-IT频段。样品的照片显示在图5的子图中。使用Agilent 8757D标量网络分析仪测量其反射和透射响应，并与模拟结果进行比较，如图5所示。实现了模拟和测量之间的良好一致性。模拟的最大传输系数为0.96，半功率带宽为5.53％（从29.36GHz到31.03GHz），而测得的最大传输系数为0.95，半功率带宽为6.51％（从29.57GHz到31.56GHz）。受测量条件的限制，我们不能在此提出实验相位色散和群延迟。然而，与图2和图5中的模拟结果相比，我们观察到在该组内实现了6.99％的带宽（从29.12GHz到31.23GHz）延迟大于0.18ns，而单个E-IT中的这种带宽仅为2.19％（从29.42GHz到30.07GHz）。应该指出的是，选择E-IT和M-IT的不同群延迟以更好地说明它们的独立性和更宽的合成频带。如果采用其他高Q E-IT结构（例如图2中呈现的I 2 = 0：9mm的E-IT），则群延迟可以进一步加大。

图 5. 模型照片，模拟群延迟和传输相位，模拟和测量的反射幅度，以及制造的EIT的传输。

总之，我们研究了一种有效的方法，通过将两个独立的“暗”模式陷入“明亮”模式来扩大EIT的透明度范围。 具有高Q因子的两个独立的“暗”模式分别由I形电谐振器和对称裂环谐振器实现。 “明亮”模式通过具有极低Q因子的矩形环结构实现。 通过整合将这样的三个谐振器进入闭合波导系统，实现了具有两个透明窗口或一个宽窗口的EIT。 一个样品采用Ka波段制造，具有高的裙边选择性，可直接用作微波系统中的滤波器。 这种频带扩展技术和独立的E-IT和M-IT设计方法可以扩展到更多区域，例如光学设备设计，光控制和传感器制造。 还值得一提的是，当较大的尺寸可接受时，通过级联多个单元可以进一步加宽带宽。

这项工作部分由国家自然科学基金（No.60901022）支持，部分由RFDP（编号20090185120005）支持，部分由中央大学基础研究基金（编号ZYGX2010J021）支持。

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