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基于超表面的圆极化波非对称传输与吸收研究

基于超表面的圆极化波非对称传输与吸收研究

作者：王燕飞西安电子科技大学

学位级别：硕士

现代的通信系统要求集成度越来越高,这势必要求各种设备往小型化和多功能化方向发展。人工电磁超表面能够灵活地调控电磁波的传输路径、相位和极化,其还具有体积小、重量轻、剖面低的特点,在太赫兹传感器件、光谱成像、电磁吸波和微波... 详细信息

现代的通信系统要求集成度越来越高,这势必要求各种设备往小型化和多功能化方向发展。人工电磁超表面能够灵活地调控电磁波的传输路径、相位和极化,其还具有体积小、重量轻、剖面低的特点,在太赫兹传感器件、光谱成像、电磁吸波和微波通信等领域已有众多研究;同时,引入石墨烯或电子器件等可调谐器件,使超表面在多功能电磁调控领域具有非常广泛的应用前景。目前利用超表面作为电磁波非对称传输和吸波的器件仅能分别应用到单一领域,没有将这两种功能统一到一个结构中实现,然而在电子对抗、雷达侦察探测和电磁隐身技术中,电磁波的非对称传输与吸波特性是密切相关的。本论文将超材料与石墨烯结构相结合,设计出了几种具有可调谐特性的双功能超表面。论文的主要研究工作安排如下:1.提出了一种手性双开口矩形谐振环超表面,利用三层级联的介质基板的上表面刻蚀手性不对称金属贴片,实现了对圆极化波角度不敏感的非对称传输功能,其非对称传输效率在1.4～1.5 THz频段内最高可达0.7,该器件能够在电磁波以0°±50°的入射角度范围内保持稳定的工作性能。2.提出了一种基于石墨烯的吸透一体超表面,这一结构中所使用的介质基板与双开口矩形谐振环超表面的形式相同,不同的是将金属谐振环替换成了一定尺寸的正方形石墨烯贴片,并在各层介质基板的下表面印制有比所对应上层稍大的石墨烯贴片,最下层为一整层石墨烯地板,使整个超表面的石墨烯结构呈类金字塔形式。可通过改变石墨烯的费米能级μ,使超表面的功能在单方向完美吸波和直接透射之间灵活切换,当μ为0 eV时,在1.65 THz和2.5 THz附近表现为单方向的完美吸波;μ为1 eV时,在1.5～2.5 THz频段内可以直接透射,正向吸波率与透射率由μ的大小决定且两者成反比;同时该超表面也具有角度不敏感的电磁传输特性。3.提出了一种融合非对称传输与吸波双功能的石墨烯超表面,利用不对称的金属贴片和不同尺寸的石墨烯贴片组合,实现了一个结构同时具有圆极化非对称传输和单方向吸波两种功能。在费米能级较小时,超表面主要表现为圆极化波的非对称传输;随着费米能级的增大,非对称传输效率会迅速下降,同时正向入射电磁能量的吸收率会逐渐上升。仿真表明,石墨烯的μ为0 eV时,该超表面对圆极化波具有非对称传输功能,其非对称传输参数为0.8;μ为0.8 eV时,该超表面能够实现单方向吸波功能,这种超表面还可实现通过设置不同大小的μ,来控制圆极化波的非对称传输效率和对电磁能量的吸收效率。

关键词：超表面石墨烯非对称传输吸波可调谐圆极化波

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太赫兹波双带非对称传输现象研究

太赫兹波双带非对称传输现象研究

作者：方神应哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

超材料因为具有天然材料所不具有的一系列独特的电磁特性,在最近的几十年里被各个行业广泛关注,并且还取得了很多相关的科研和实际应用成果。偏振是横电磁波所具有的一个固有特性,在以超材料为基础的偏振调控方面,破坏镜面对称性的手性... 详细信息

超材料因为具有天然材料所不具有的一系列独特的电磁特性,在最近的几十年里被各个行业广泛关注,并且还取得了很多相关的科研和实际应用成果。偏振是横电磁波所具有的一个固有特性,在以超材料为基础的偏振调控方面,破坏镜面对称性的手性超材料具有独特优势,最有应用前景。手性特性中的互易性的非对称传输现象,近来受到了研究人员的广泛关注,该特性也被认为是偏振转换二向色性,即沿相反方向传播的光交叉偏振转换率之间存在差异。该特性对于开发一些偏振敏感器件、光学通信和光学隐身等方面都有促进作用。太赫兹频段对于自然材料的电磁响应很虚弱,所以历史上定义为“THz gap”,太赫兹相关技术已经应用到了国家安全以及社会经济的很多方面。超材料能够灵活的调控太赫兹波,可以通过设计超材料来实现许多有实用价值的功能性太赫兹应用器件。本文的主要内容是研究太赫兹频段的双带非对称传输现象,研究了两种不同结构手性超材料在太赫兹频段的非对称传输现象,进行了相应的电磁仿真分析。其中一种多层手性超材料结构加工了相应的样品,进行了实验验证。主要的工作内容如下:(1)基于电磁仿真,在太赫兹频段改进了一种S形高效偏振控制超材料,它对于线偏振光具有双带非对称传输作用。对S形结构超材料进行了电磁仿真分析,研究了透射系数、非对称传输系数以及偏振转换率。通过仿真谐振频率点的表面电流的分布,了解其非对称传输特性的基本原理。通过仿真谐振频率点的电场分布,证明该结构具有偏振转换的功能。对S形结构的几何参数进行研究,发现只是改变金属结构顶部到介质层顶部之间的距离,能够调控两个不同的非对称传输谐振峰的距离,能够达到调控非对称传输的作用。(2)在太赫兹频段设计了一种双I形结构多层手性超材料,基于电磁仿真证明该结构对于线偏振光能够实现双带非对称传输作用。利用电磁仿真软件对双I形手性超材料进行了透彻的研究,包括:透射系数、非对称传输系数、偏振转换率、谐振峰处的表面电流分布、谐振峰处的电场分布、圆二色性、旋光性和结构参数优化。最后,通过对双I形结构的样品的测试,验证了仿真结果。

关键词：超材料手性非对称传输线偏振转换

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太赫兹非对称传输器件的研究

太赫兹非对称传输器件的研究

作者：陈琦重庆邮电大学

学位级别：硕士

光电导天线、量子阱光电探测器等太赫兹源和探测器的出现,极大地促进了太赫兹技术的发展。近年来,太赫兹技术已经被广泛应用于生物医学、无损检测、环境监测、安全检查、无线通信等诸多领域。电磁波沿正反两个方向入射到器件上时表现出... 详细信息

光电导天线、量子阱光电探测器等太赫兹源和探测器的出现,极大地促进了太赫兹技术的发展。近年来,太赫兹技术已经被广泛应用于生物医学、无损检测、环境监测、安全检查、无线通信等诸多领域。电磁波沿正反两个方向入射到器件上时表现出不同传输特性的现象被称为非对称传输（Asymmetric Transmission,AT）,具有此现象的器件被称之为非对称传输器件。太赫兹非对称传输器件是一种重要的太赫兹功能器件,具有类二极管功能,可以用于环形器、极化转换器等器件中,在太赫兹系统中有着重要的应用价值。首先,论文论述了琼斯矩阵和电磁波非对称传输的实现条件,阐述了基于结构不对称性和极化转换方向相关性两种实现太赫兹非对称传输的方法。然后,基于上述方法设计了双层双L型、双L-条带组合型、双L-开口矩形环型、单光栅型和双光栅型等五款太赫兹非对称传输器件。其中,第一款为双层双L型器件,其x极化波非对称传输参数（Asymmetric Transmission Parameter,符号为△,即正向透射率和反向透射率之差）大于0.60的带宽为0.25THz,大于0.80的带宽为0.17THz。对该款双层双L型器件圆极化波非对称传输性能进行改进,改进后x极化波非对称传输参数大于0.50的带宽为0.16THz,左旋圆极化波非对称传输参数大于0.30的带宽为0.21THz。第二款器件为双L-条带组合型结构,其x极化波非对称传输参数大于0.60的带宽为0.31THz,与第一款器件相比,工作带宽有明显提升。第三款器件为双L-开口矩形环型结构,其x极化波非对称传输参数大于0.60的带宽为0.56THz。第四款器件为单光栅型结构,其y极化波非对称传输参数大于0.60的带宽为0.62THz,极化转换率（Polarization Conversion Rate,PCR）大于0.98的带宽为1.05THz。第五款为双光栅型结构的非对称传输器件,其y极化波非对称传输参数大于0.80的带宽为1.36THz,PCR大于0.99的带宽为1.77THz。最后对双L-开口矩形环型太赫兹非对称传输器件进行加工测试,对比分析测试结果和仿真结果。综上所述,本论文设计的太赫兹非对称传输器件在宽带范围内性能良好,在方向相关的极化转换、极化敏感的传感和成像技术等领域中有重要的潜在应用价值。

关键词：太赫兹波琼斯矩阵非对称传输方向相关性极化转换

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未来移动通信中的非对称传输技术研究

未来移动通信中的非对称传输技术研究

作者：周凯捷北京邮电大学

学位级别：硕士

随着通信系统的不断发展,高速数据业务在未来移动通信系统中占有越来越大的比重,高速数据业务具有上下行传输速率不对称的显著特点。不仅如此,随着数据传输速率的提高,所需的发射功率也相应提高,对人类和环境的影响也越来越大。本文的... 详细信息

随着通信系统的不断发展,高速数据业务在未来移动通信系统中占有越来越大的比重,高速数据业务具有上下行传输速率不对称的显著特点。不仅如此,随着数据传输速率的提高,所需的发射功率也相应提高,对人类和环境的影响也越来越大。本文的研究表明:在电磁辐射限制下,上下行传输率也明显的非对称特性,上行链路的传输速率是受限的,而下行链路的传输速率远远大于上行链路。为了适应未来移动通信中的非对称传输特性,本文首先分析了时分双工技术支持非对称传输时存在的问题。时分双工技术可以通过可以根据业务的情况动态的调整上下行时隙的分配,从而灵活的为上下行分配资源,但同时会带来交叉时隙干扰的问题。区别于目前分析的比较透彻的TDD＼CDMA系统交叉时隙干扰问题,本文分析了存在同步误差时,TDD＼OFDMA系统交叉时隙干扰问题并提出了基于隔离区域的解决方案,该方案可以较好的控制交叉时隙用户的干扰,降低同步误差对系统性能的影响。论文第四章研究了支持非对称传输的频分双工技术。提出了非对称频分双工AFDD(Asymmetric Frequency Division Duplex)技术的概念:AFDD系统根据业务的实际情况确定上行(下行)单位带宽,将上行(下行)频率按上行(下行)单位带宽分成多个频点,所有上行(下行)频点组成上行(下行)频率池,每个小区根据业务的实际情况,动态使用频率池中的频点。并分析了基于AFDD技术的CDMA系统和OFDMA系统性能,结果表明:AFDD技术可以有效的提高系统容量,节省频率资源。

关键词：非对称传输时分双工频分双工电磁辐射

基于狄拉克半金属的非对称传输与可调谐吸波体器件的研究

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基于狄拉克半金属的非对称传输与可调谐吸波体器件的研究

作者：曲玲斐山东科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着太赫兹技术的快速发展,太赫兹波在成像、通信、传感和安全监测等领域表现出巨大的应用潜力。然而,有效材料的缺乏极大地限制了太赫兹技术向各种功能性光学器件的深入发展,阻碍了太赫兹技术的实际应用进展。由于超材料在太赫... 详细信息

近年来,随着太赫兹技术的快速发展,太赫兹波在成像、通信、传感和安全监测等领域表现出巨大的应用潜力。然而,有效材料的缺乏极大地限制了太赫兹技术向各种功能性光学器件的深入发展,阻碍了太赫兹技术的实际应用进展。由于超材料在太赫兹波段独特的电磁特性,成为了研制太赫兹器件的理想材料,为新型太赫兹器件的发展带来了新的机遇。本文基于狄拉克半金属超材料对非对称传输器件和吸波体器件进行了研究。本文的主要研究内容概括如下:1.研究了基于狄拉克半金属超材料的非对称传输器件,该器件可以在THz波段内实现线偏振波的偏振转换和非对称传输的功能。在频率5.5-6.0THz范围内线偏振波的非对称传输参数≥0.6,而圆偏振波的非对称传输参数在4.0-7.5THz频率范围内接近于0,这说明该器件可以实现线偏振波的非对称传输而不能实现圆偏振波的非对称传输。研究了改变结构参数对非对称传输参数的影响和改变狄拉克半金属超材料的费米能级对偏振转换率、总透射率和非对称传输参数的影响,从而实现了偏振转换频带的动态调谐。2.研究了基于狄拉克半金属超材料的吸波体器件,建立了三种不同结构的吸波体单元模型。研究结果表明,在正入射的条件下多频吸波体可达到100%的吸收率。通过改变结构参数可以实现吸收峰的独立调谐。通过改变狄拉克半金属的费米能级可以实现动态调谐的功能。该吸波体的提出为设计可调谐吸波体提供了指导作用,对以后传感应用中的频率选择探测器设计具有重要意义。

关键词：非对称传输吸波体可调谐狄拉克半金属

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基于复式梯度光子晶体的电磁波的非对称传输

基于复式梯度光子晶体的电磁波的非对称传输

作者：韩影浙江师范大学

学位级别：硕士

实现电磁波的非对称传输特别是在光波段对集成光路的发展具有潜在的应用价值,因而具有非常重要的研究意义。相比于其他材料,纯介质的光子晶体具有可线性调控、能量损耗低和材料易获得等优点。本文中,我们利用二维纯介质梯度光子晶体实... 详细信息

实现电磁波的非对称传输特别是在光波段对集成光路的发展具有潜在的应用价值,因而具有非常重要的研究意义。相比于其他材料,纯介质的光子晶体具有可线性调控、能量损耗低和材料易获得等优点。本文中,我们利用二维纯介质梯度光子晶体实现了光的非对称传输。该体系每个格点包含两根柱子,随着层数的增加对其偏转角引入梯度,可实现电磁波左入射分束而右入射会聚的非对称传输行为。在本文的第一章中,我们首先给出了相关的研究背景,之后介绍了光子晶体的概念、其相关性质和目前的一些应用,最后介绍了本文的基本框架。在第二章中,我们介绍了目前实现电磁波非对称传输的一些方法。利用手性微结构金属阵列和磁性特异介质可以实现电磁波的单向传输。利用能带失配光子晶体做成的异质结实现的电磁波单向传输,以及利用梯度光子晶体实现电磁波分束聚焦非对称传输的相关工作。这些方法或是能量损耗过大,或是传输效率很低,皆不适用与集成光子器件的制作。在第三章中,我们介绍了所使用的数值方法。光子在光子晶体中的行为可以用Maxwell方程组来描述,最终归结为结合边界条件求解亥姆霍兹方程。对于二维圆柱体系,我们用矢量柱波函数作为一组基对场进行展开。我们首先利用Mie散射理论推导出单个散射柱的散射特性,再利用多重散射理论求解出整个体系的散射特性。据此,我们可以获得体系的能带特性、场模式分布以及透射率等。在第四章中,我们给出了一种利用二维介质柱梯度光子晶体实现光的非对称传输的方法。该体系每个格点由两个介质柱构成,两柱子与水平方向的夹角随着层数的增加而呈梯度增加。由于空间反演对称性破缺,高斯光束从左侧入射时分束,从右侧入射时则发生会聚。我们分别从能带和等频线角度分析了非对称现象出现的物理机制。通过对首层偏转角度和梯度的调控,我们发现可以在亚波长尺度实现近场的非对称效应,也可以利用一个较大的体系实现远场的非对称效应,其传输效率皆高于前人的工作。除此之外,同时给半径引入梯度,该体系也可以实现光束的单向传输。在文章的最后,我们对本文的工作进行了回顾和总结,并对基于复式晶格思想开展的后续工作进行了展望。

关键词：光子晶体非对称传输 Mie散射理论多重散射理论

基于零折射磁性特异电磁介质的电磁波的非对称传输

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基于零折射磁性特异电磁介质的电磁波的非对称传输

作者：周加林浙江师范大学

学位级别：硕士

随着科学研究和技术水平的迅速发展,科学家们对自然界已有的材料认识越来越深入,也越来越发现天然材料的局限和不足,于是通过制备各种人工材料来满足相关需求,自上世纪六十年代人们提出通过利用各种材料结构单元模仿自然晶体的排列方式... 详细信息

随着科学研究和技术水平的迅速发展,科学家们对自然界已有的材料认识越来越深入,也越来越发现天然材料的局限和不足,于是通过制备各种人工材料来满足相关需求,自上世纪六十年代人们提出通过利用各种材料结构单元模仿自然晶体的排列方式构造特异电磁材料,通过这种人造特异电磁材料实现自然界常规材料所没有的性质,从而对电磁波的传播进行调控。自此,科学家们对于材料的应用和研究实现了一个飞跃,更为重要的是,由于特异电磁材料能够实现自然常规材料所不具备到的电磁参数,使得电磁波在特异电磁材料的传播表现出许多新颖而奇异的性质,它对现在电磁领域的发展有着极大的促进作用。在第一章中,本文简单介绍特异电磁材料这种新型人工材料的发展历程、电磁特性及其在各领域中的应用。尤其对于特异电磁材料表现出的许多在自然界中没有的新奇电磁性质,它在能源、通讯、军事和医疗等许多领域都具有重要的应用价值。因此,关于特异电磁材料,在理论和实验上的研究都有重要的意义。本文进一步探究基于钇铁石榴石这种对外加磁场有磁响应的磁性材料所构成的特异电磁介质的电磁性质。在第二章中,我们将给出针对磁性柱的Mie散射理论、计算空间电磁波分布和光子能带结构的多重散射理论。此外,由于文中所研究的磁性特异电磁材料的共振单元结构周期远小于入射电磁波的波长,即入射波长与材料晶格常数满足长波近似,此时我们可以把磁性特异电磁介质体看作是一种均匀的等效媒质,它具有与磁性材料和背景介质不同但有相关的电磁参数。本章给出了可以理论计算出磁性特异电磁介质的等效电磁参量的方法,即等效介质理论,从而可以分析等效电磁参量的可调性质并与光子能带理论进行比较。在第三章中,我们利用第二章介绍的多重散射和等效介质的理论,通过优化结构参数获得具有等效折射率为零的磁性特异电磁,并通过电磁波在特异电磁介质中传输的模拟对进行了进一步的验证。接着,我们通过改变结构所在的外加磁场和磁性柱半径这两种方法,获得了等效折射率从正到负渐变,为后面的进一步研究做好准备。在第四章中,我们首先简要介绍了通过零折射磁性特异电磁介质实现电磁波的非对称传输的基本原理,随后我们又给出了磁性特异电磁介质的具体结构,并利用该结构得到了电磁波在磁性特异电磁介质所构成的异质结中的非对称传输。为了提高体系的可调性,我们也采用介质体系实现零折射,并将其与磁性特异电磁介质构成异质结构,它不但能够实现电磁波的非对称传输,而且可以通过改变外加磁场调控出射电磁波的方向。最后,我们在第五章中对本文的结果进行了简要的总结,同时也对零折射磁性特异电磁介质的后续研究和潜在应用进行了展望。

关键词：零折射率材料特异电磁介质非对称传输多重散射理论等效介质理论

基于双“十”形手性超材料的非对称传输特性研究

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黄冈师范学院学报 2016年第6期36卷 60-63页

作者：陈娇龚沙黄冈师范学院数理学院湖北黄州438000

本文设计了一种基于双"十"形结构的手性超材料,用数值仿真技术研究分析了其非对称传输特性。结果表明在谐振频率为7.33GHz和9.58GHz时,非对称传输系数分别可达0.75和0.84,由此可知此结构在微波段具有较好的非对称传输特性。该超材料具... 详细信息

本文设计了一种基于双"十"形结构的手性超材料,用数值仿真技术研究分析了其非对称传输特性。结果表明在谐振频率为7.33GHz和9.58GHz时,非对称传输系数分别可达0.75和0.84,由此可知此结构在微波段具有较好的非对称传输特性。该超材料具有结构简单、成本低、易制备等优点,对实现电磁开关等超材料功能器件具有重大意义。

关键词：超材料非对称传输手性

通过对称性破坏调节2D金属微纳结构的非对称传输

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通过对称性破坏调节2D金属微纳结构的非对称传输