论文翻译 - 超表面理论及应用 - 图文(3)

2019-08-20 18:44

超薄膜模型是球粒阵列,有着对称传输阵列()。同样图中

也给出了文献[100]分析结果。通过对比,这种反演方法所得结果和方程计算结果一样。

上述例子和文献[100]都说明了反演方法的正确性。更重要的是,这种计算结果说明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用来计算3D超材料的有效特性。在这种技术中,和上面一样,超薄膜的平面波反射和传输系数用来计算表面特性。通过文献[23]中应用,之后就可以获得单个散射体的极化率。通过把这种超薄膜嵌入三维超材料里,就可以通过Clausius-Mossottii关系来得到有效介电常数和磁导率。这种技术是一种很有用的计算标准参数的方法,尤其是当波在一个很小的多层样本中传输时候。

在本文的其他部分,我们将讨论近几年超表面的各种应用。

2 可调表面

对于一个给定的超表面,我们可以通过很多商用模型来分析它与电磁场的反应。然而,如我们所见,可以通过广义等效面转换条件来获得平面波的传输和反射系数。对于超薄膜,适用于方程7和方程8.这些特性与超薄膜的表面特性有关。这些方程的好处是可以让我们从物理方面洞察表面特性与反射、传输系数的关系。方程7和方程8阐释了通过控制表面的反射和传输系数可以改变表面特性。

以方程7和方程8为例,我们可以写出在全反射或者全透过时电、磁特性的关系。在全反射时:

而对于全透过时所需的条件是:

理论上控制反射和传输系数可以通过以下机制来完成:1,通过改变散射体的电磁特性;2,通过改变基板(材料特性或者几何构造)的结构。以球磁粒子组成的超薄膜为例,图9所示为R关于散射体磁导率的曲线。图中可以看出,基于散射体磁导率的变化,超薄膜从全反射变化到了全透射。这种可控表面已经实现,其组成是由球形YIG粒子所组成的超薄膜,控制激励是外加DC磁场。图10所示为这种超薄膜的传输特性随外加DC磁场的变化。一些其他的方法也已经可以用来控制超表面,并且在动态控制领域也有许多研究在开展,我们将在第7和第9部分做讨论。

2 各向异性超表面:角独立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向异性散射体所组成的超薄膜可以用来获得与各项同性超表面所不同的很多应用。这些应用中的一个有趣的体超材料是在其内设计出各向异性的表现。实际上这个主意来着隐身斗篷材料,其有着很大的关注度。这种材料是通过在超材料里设计各向异性材料来设计的,覆盖有这种材料的物体可以使光在其表面传播或者弯曲。经过合理设计的各向异性超材料可以达到既不散射又不吸收能量,这样就可以在电磁波里实现隐身效果。现在可以在理论上实现从射频到可见光的隐身。但由于材料和结构的本质属性,在获得宽带隐身效果来说还有着技术难点需要突破。试验证明窄带单偏振的隐身实例已经可以实现。

同样,这种概念也可以扩展到超表面中。在这个设计中,其表面设计将选用散射体所组成的超表面来达到期望的性能。例如,理论上可以可以设计出一种超表面来达到将EM波聚焦到目的区域,与聚焦天线阵列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射体,就可以得到一种能够改变能量聚焦所在的方向和频率的超表面,这种概念现在正在研究。

另一个例子是怎样获得不依赖角度(至少是某种参数范围中)的反射和传输系数。对于一个给定的入射角,方程13给出了在发生全反射时表面电和磁的磁化系数。方程13给出了一种可以在这种全反射状态下获得近似角独立的结构。以TE波为例,当?MS>>?ES时,角依赖性被削弱,这是基于方程13中圆括号前部分控制第二角依赖部分。同样地,对于TM波,当?MS>>?ES时,其角依赖性同样变弱。当超薄膜的散射体结构达到谐振频率时,会产生这种性质。当所指部分占优势时,方程13中全反射条件变成:

yyzzzzyy

如果超表面设计成这种传输成分的表面特性的共振相比于普通成分来说非常高,则这种超表面或许会产生角独立特性。这种特性在图11中阐释出来,其中我们画出了超表面的反射系数,这个超表面是由图1b所示金属结构组成。在图中可以看到这个表面在600入射角处获得近似角独立。

我们可以将这个概念扩展到很多其他的结构上。例如,具有高的各向异性材料的板也可以获得角独立特性。文献[61]展示,这种特性可以通过检测不同各向异性基板的反射系数来观测。另外,引进计算电磁学中的完美匹配层(PML)可以减少辐射边界所产生的误差,同样它也需要这种角独立特性。这种PML可以通过超表面的理念来实现,这种课题正在研究中。

这种结构为发展紧密的电磁吸波器提供了可匹配的能耗材料,并且使独特的阻抗匹配表面得以实现。基于这种想法的吸波器最近开始出现在文献中[53-58]。这种结构通常由覆盖有金属板的能耗基板和其前部的超表面组成(图1b的第二幅图)。这种结构或许会是窄频的,但它同样也是很紧凑的。使用超表面的这种结构的另一个优势是它有着很好的角独立特性,这在理论和实验中都是已经证明的了。对于角独立特性的物理说明如上述或者文献[60]。

不同的团队同样也研究了超表面在阻抗匹配表面的应用。与图12a所示的金属阵列相似的结构已经被用来制作宽角度的阻抗匹配表面。这种结构具有高各向异性,可以使角独立特性得以实现。这种薄各向异性超表面的反射特性在图12b中展示。

4 谐振器尺度的优化

Engheta展示了当孔中部分填充负折射率材料时候,在λ/2尺寸规模的谐振器结构的尺度还可以再减小。文献[35,36]中扩展了这个理论,使用超表面也达到了同样的效果。利用超表面的优势是可以理论上比利用3D超材料所实现的尺寸要小。距离为d的两个金属板之间放置超表面,达到共振所需要的相位匹配条件是

当?M??0时,n=0不成立。通过这个方程,可以看出如果合理设计超表面的话,谐振器尺寸可以超越λ/2波长的限制。

例如,一个由两金属板及其之间的方形片状物构成的超薄膜。图13所示为三种不同板的谐振频率关于l/p(p为周期,l为单个方形物的尺寸)。当l/p=0时,就是经典结果d=λ/2。对于一个给定的d来说,电容性超表面可以很大程度上减小谐振频率,或者是减小谐振器尺寸以得到期望的谐振频率。方形片超薄膜谐振器的频率减小在表1中展示,周期p=500μm。在表中,对于不同的l/p值列出了相对应的减少值。这个表的结果展示了这种结构可以减少共振器尺寸高达56%。如果经过精细制作超表面散射体的极化特性,还可以达到更好的减少尺寸效果。实际上通过控制超表面的特性可以实现频率灵活的谐振器。


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