郭亮，黄晓俊,，杨河林

(1.喀什大学 物理与电气工程学院，新疆 喀什　844006；2.华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉　430079)



基于双U形结构的零折射率超材料

郭亮1，黄晓俊1,2，杨河林2

(1.喀什大学 物理与电气工程学院，新疆 喀什844006；2.华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430079)

在介质基板刻蚀的金属线和金属化过孔组成双U形结构模型，仿真计算及电磁参数反演结果表明，当电磁波垂直入射时，该结构在频率f=7.63 GHz附近等效介电常数和等效磁导率实部同时接近零，从而得到了折射率为零的超材料，实验测试与仿真结果基本一致．同时，为了实现对零折射率响应频点的调节，分析了单元结构的金属过孔间距及U形结构脚长的变化对零折射率特性的影响,发现改变单元结构参数可改变零折射率响应频点．这种可调双U形零折射率超材料单元结构简单，可应用于微波器件等领域．

零折射率；谐振频率；电磁参数；超材料

自从微波段的左手材料[1]首次在实验上得到证实,改变了人们对折射率只限于正空间的传统理解．研究表明折射率实际上可以取任何值(n>0,n<0或n=0)[2]．电磁波在零折射率超材料(zero-refractive-index metamaterial,简称ZIM)中传播时会表现出许多独特的电磁现象，如相位变化为零[3-4]、超耦合效应[5]与电磁隧穿[6]等．近几年来,针对ZIM的研究得到了广大学者的普遍关注[7-10]．由于ZIM的独特电磁特性,使其在构建波导耦合器、制作高指向性天线与波前整型等方面得到了广泛的应用[11-14]．针对ε和μ的具体取值情况可将ZIM可分为3类(即ε=0,μ≠0；ε≠0，μ=0；ε=μ=0)，对其中ε=0，μ≠0和ε≠0，μ=0这2类ZIM，由于其阻抗为无穷大或为零意味着媒质的透射系数为零，电磁波在其中衰减很大，不能长程传播．对于ε、μ同时为零的这一类ZIM，其阻抗可为零到无穷大之间的任何值，允许部分或全部电磁波在媒质中透射．对于ε、μ同时为零的ZIM在结构设计上要求所设计材料的等效电谐振频率必须与等效磁谐振频率相等[15]，使得结构设计上实现起来要比前2类ZIM难度更大，但由于该类材料ε和μ同时从负值趋近于零，本征阻抗为1，与自由空间阻抗匹配，这样会大大降低电磁波波的反射．

本文提出了一种双U形结构模型，该结构由金属条和金属过孔构成2个反对称的U形金属结构置于介质基板内部所构成．利用该结构能制备出ε和μ同时为零的零折射率超材料．当电磁波垂直入射介质基板时，与介质基板板面垂直的两反对称U形金属结构相互耦合产生磁谐振,而金属结构本身产生电等离……