左旋超材料(LHMs)由于其独特的电磁特性，在微波频率下具有有趣的潜在应用价值。本文分析了在微波频率下采用向列液晶BL006的可调谐LHM。基于有限差分时域法(FDTD)的全波分析技术被用于QuickWave软件，进行电磁设计。可调谐超材料的结构参数，如透射和有效折射率，与文献数据有很好的一致性。在10-14GHz范围内分析了可调谐结构。
1、简介
超材料是一个令人振奋的新兴研究领域，有望在电信、雷达和国防、纳米光刻术、微电子学和医学成像等不同领域带来重要的技术和科学进步。目前，大多数LHMs是通过具有金属等离子体共振的人工金属结构实现的，例如，使用导线产生有效的负介电常数和使用分裂环谐振器(SRRs)产生有效的负磁导率。
对于先进的设备，希望能够由此产生的装置的属性和功能可以重新配置或调优。这可以通过调节支撑装置的介质的有效介电常数和磁导率来实现。在现有材料中，向列液晶(LCs)是支持介质的首选，因为它们具有非常大的光电和非线性光学响应，允许电和/或全光学调谐。所有关于LC-超材料可调性的模拟结果都已被证明是在厘米（微波）频率范围内的。
本文给出了在微波频率下工作的频率可调谐LHM的有限微差分时域方法(FDTD)模拟结果。该结构基于嵌在LC中的欧型内含物。该可调性是通过应用外部磁场来实现的。使用QuickWave 3D商用电磁求解器进行模拟。
2、可调 LHM 结构特性
拟建结构的几何结构如图1所示。该结构是一层嵌在LC中的欧型内含物。所提出的结构实际上是对第一超材料结构(SRR线型)的修改，其中SRR是负磁导率（μ）的来源，而金属线板是负介电常数（ε）的来源。在我们的模型中，我们以特定金属条的形式结合了这两种元素。方形中心部分造成了负值μ，而离开金属条，实际上是一种金属线，造成了负值ε。
本工作中使用的SRR模式为了避免磁电响应，由具有背靠背方向的双矩形带组成。金属图案被印刷在特四氟乙烯玻璃纤维板的表面，中间有空隙，随后被一种向列相化合物渗透。假设电场沿x方向偏化且沿y方向偏化磁场的入射光束照亮沿z方向的结构。本文矩形样式采用特四氟乙烯玻璃纤维支持，中间有LC的渗透。LC导向位于x-y平面上。对于分子方向沿x轴排列的LC板，方向轴n可以取所有值{cosθ，sinθ，0}。将超材料样品插入一个X波段波导中，以获得结构的传输和反射（图2），这是频率的函数。介电常数张量用于严格的LC分子的描述，其中εe=ne2和εo=no2分别是平行和垂直于分子方向的介电率。对于这些计算，我们使用了实验数据no=1.62，ne=1.74。
3、仿真结果与分析
图2显示了方向方向为0°和90°的可调超材料的传输设计结构的频率依赖性。在初始情况为0°的各向同性状态，传输曲线稍微向较高的频率移动，并在11.72GHz时达到其最大值。当LC的方向从0°定向到90°时，通过进行各向异性处理，可调谐超材料的共振位于约11.35GHz的较低频率处。因此，该结构的传输和共振频率是该方向的函数。利用已知的方程[10,11]，从透射曲线和反射曲线中成功地计算出了可调超材料的有效折射率的实部和虚部。所得结果见图3。
超材料设计的有效参数是作为波长的函数。12GHz及以上的n’和n’’的峰值（分别为图3和图4）是数值过程的结果，这与更高频率下相位的不连续和波动有关。仿真结果表明，在10到12GHz之间,有效折射率的实际部分为负值。随着磁场的LC方向从0°变化到90°，虽然曲线的形状实际上没有变化，折射率和阻抗的值都稍大一些。
在下一步优化中，可调元结构应保持液晶材料在给定的频率带内具有高介电各向异性和低损耗。
4、研究结论
本文提出了一种具有从负到零到正的可调折射率的微波超材料。通过将SRR与连续导线相结合，可以实现一个可调谐的LHM。超材料结构的有效折射率可以很容易地在负值、零值和正值之间重新配置或调整。这些结果对于最终实现快速可调谐或非线性超材料特别相关。超材料的液晶可调性已被认为是实现可调谐负指数超材料的一种途径。仿真结果表明，利用液晶构造超材料结构，可以在光谱范围内调整折射率。可调性取决于结构的周期的大小和液晶材料的损失。因此，它可以是在不同千兆赫设备中实现可调性的极好路径。
由 孔佳月 编译，文章详细内容请参阅：
Rafał Kowerdziej , Janusz Parka , Piotr Nyga & Bartłomiej Salski (2011) Simulation of a tunable metamaterial with nematic liquid crystal layers, Liquid Crystals, 38:3, 377-379.
如有侵权，请联系我们删除。