[发明专利]一种基于隧道二极管的增益负折射率材料

说明书

本发明公开了一种基于隧道二极管的增益负折射率材料。包括金属结构、隧道二极管和电介质基板，金属结构包括电谐振单元和磁谐振单元，电谐振单元为亚波长金属铜柱，铺设于电介质基板背面中间位置；磁谐振单元为方形开口谐振环，平铺于电介质基板正面，内环上边界中间位置即内环开口方向相对位置处开有缝隙，缝隙之间焊接有隧道二极管。本发明为结合了亚波长电谐振和磁谐振偶极子结构的单层人工媒质单元，从电磁波能量守恒的内在因果性出发，系统研究了在传统人工媒质单元中引入微波负阻器件，得到可以同时调控其等效本构参数实部和虚部的人工微波增益媒质的方法，且得到了同时具有增益和负折射率的人工微波媒质。

技术领域

本发明属于微波增益媒质研究领域，具体涉及一种基于隧道二极管的增益负折射率材料。

背景技术

人工电磁媒质由于其超自然的电磁特性，如亚波长成像和隐身斗篷，引起了人们的极大兴趣。尽管人工电磁媒质在原理上可以用于负折射、完美成像、电磁隐身等新奇应用，但其内禀的色散损耗以及其固有的共振特性，使得上述应用不能得到有效的工程实现。

为了克服这个障碍，研究者对增益补偿人工媒质进行了广泛的研究。其中，M.I.Stockma等人基于因果律，理论分析了采用有源方法实现增益人工媒质的可能性，并对能否实现完全的损耗补偿和过补偿表示悲观。随后，有研究者指出，传统的Kramers-Kronig关系对于有源媒质并不能直接适用，有源媒质色散在理论上可以符合因果律。其后的理论及实验研究证实了增益人工媒质的可实现性。

近年来，损耗补偿人工电磁媒质的理论理解和物理实现的进展有望克服这一障碍，从微波到光学范围。在光学中，基本方法是将增益介质纳入纳米等离子体结构，以实现无损耗或增益增强的光学超材料，主要基于掺杂晶体、半导体、染料和气体。

在光学领域，S.Xiao等人在光学Fish-net单元中引入了光学增益媒质(Gainmedium)，在单一频点上实现了无损耗的负折射率媒质。同样有仿真结果表明，利用外加增益媒质的方法，也可以实现带有增益的光学负折射率媒质。在微波领域，Y.Yuan等人通过在人工谐振单元中引入放大器，实现了等效磁导率的实部和虚部均为负值的人工媒质。2011年，T.Jiang等人在微带传输线结构中引入隧道二极管(Tunnel diode)，实现了带有增益和负相位传输的复合左右手传输线。但迄今为止，尚未有综合了光学增益媒质和负折射率人工媒质特征的微波频段有源媒质的报道。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于隧道二极管的增益负折射率材料，设计、制作和实验测量了内嵌TD261隧道二极管、同时呈现负折射率和增益特性的人工微波媒质样品。本发明从电磁波能量守恒的内在因果性出发，系统研究了在传统人工媒质单元中引入微波负阻器件，得到可以同时调控其等效本构参数实部和虚部的人工微波增益媒质的方法，实验得到了同时具有增益和负折射率的人工微波媒质。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所述增益负折射率材料的基本单元包括金属结构、隧道二极管和电介质基板，电介质基板为长方体结构，金属结构包括电谐振单元和磁谐振单元，电谐振单元为亚波长金属铜柱，铺设于电介质基板背面中间位置，电谐振单元的上下端口与电介质基板上下边界平齐；磁谐振单元为方形开口谐振环SRR，平铺于电介质基板正面，开口谐振环为同心内外双环结构，内环下边界、外环上边界的中间位置均设有开口；内环上边界中间位置即内环开口方向相对位置处开有缝隙，缝隙之间焊接有隧道二极管。

所述电介质基板为Rogers介质基板。

所述隧道二极管为TD261系列隧道二极管。

所述基本单元在电磁波入射时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

所述谐振频率通过改变开口谐振环内环、外环宽度以及内环与外环之间的间隙宽度调节。

所述电谐振单元的方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。