МЕТАМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ВОЛНОВОДОВ
SURFACE AND WAVEGUIDE METAMATERIALS

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Приоритет этой заявки заявляется по дате подачи Предварительной заявки на патент США №61/091,337, поданной 22 августа 2008 года, включенной в настоящий документ посредством ссылки.
ЗАЯВЛЕНИЕ В ОТНОШЕНИИ ФЕДЕРАЛЬНОГО ФИНАНСИРОВАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЛИ РАЗРАБОТКИ
[0002]
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0003] Представленная в настоящем документе технология относится к искусственно структурированным материалам, таким как метаматериалы, которые функционируют как искусственные электромагнитные материалы. Некоторые подходы предлагают поверхностные структуры и/или волноводные структуры, которые реагируют на электромагнитные волны в радиочастотном (РЧ) диапазоне, микроволновом диапазоне и/или на более высоких частотах, таких как инфракрасные или видимые частоты. В некоторых подходах электромагнитные отклики включают отрицательное преломление. Некоторые подходы обеспечивают поверхностные структуры, которые включают структурированные метаматериальные элементы в проводящей поверхности. Некоторые подходы обеспечивают волноводные структуры, которые включают структурированные метаматериальные элементы в одной или нескольких ограничивающих проводящих поверхностях волноводной структуры (например, ограничивающие проводящие полосы, излучатели или плоскости планарных волноводов, конструкции передающих линий или одноплоскостные структуры с направленными модами).
ПРЕДПОСЫЛКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Искусственно структурированные материалы, такие как метаматериалы, могут расширить электромагнитные свойства традиционных материалов и могут проявлять новые электромагнитные отклики, которых может быть трудно добиться в традиционных материалах. Метаматериалы могут проявлять сложные анизотропии и/или градиенты электромагнитных параметров (таких как диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, показатель преломления и волновое сопротивление), которые могут быть воплощены в электромагнитных устройствах, таких как устройства клоакинга (см., например, J.Pendry и др., "Способ электромагнитного клоакинга", заявка на патент США №11/459,728, включенная в настоящий документ посредством ссылки) и GRIN линзы (см., например, D.R.Smith и др., "Метаматериалы", заявка на патент США №11/658,358, включенная в настоящий документ посредством ссылки). Кроме того, можно разработать метаматериалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью и/или с отрицательной магнитной проницаемостью, например, обеспечить среду с отрицательным коэффициентом преломления или неопределенную среду (т.е. имеющую тензорно-неопределенную диэлектрическую проницаемость и/или магнитную проницаемость; см., например, D.R.Smith и др., "Неопределенные материалы", заявка на патент США №10/525,191, включенная в настоящий документ посредством ссылки).
[0005] Основная концепция линии передачи с "отрицательным показателем преломления" формируется путем замены шунтирующей емкости индуктивностью, а последовательной индуктивности - емкостью, как показано, например, в книге автора Pozar, СВЧ-техника (Microwave Engineering, Wiley 3-е изд.). Подход линии передачи к метаматериалам был исследован Itoh и Caioz (Калифорнийский Университет в Лос-Анжелесе) и Eleftheriades и Balmain (Торонто). Смотрите, например, EIek и др. «Двумерная унипланарная линия передачи метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления», New Journal of Physics (том 7, выпуск 1 стр.163 (2005 г.) и патент США №6859114.
[0006] Передающие линии (TL), раскрытые Caioz и Itoh, основаны на взаимной замене последовательной индуктивности и шунтирующей емкости традиционных TL, чтобы получить эквивалент TL среды с отрицательным показателем преломления. Поскольку шунтирующая емкость и последовательная индуктивность всегда существуют, всегда имеется зависящее от частоты двойное поведение TL, которое приводит к "обратной волне" на низких частотах и типичной прямой волне на более высоких частотах. По этой причине Caioz и Itoh назвали свою TL из метаматериала "композитной право/левосторонней" TL, или CRLH TL. CRLH TL формируется путем использования сосредоточенных конденсаторов и катушек индуктивности, или эквивалентных схемных элементов, чтобы создать TL, которая работает в одном измерении. Концепция CRLH TL была расширена до двумерных структур Caioz и Itoh, а также Grbic и Eleftheriades.
[0007] Использование комплементарного двойного кольцевого резонатора (CSRR) как элемента микрополосковой цепи, было предложено F. Falcone и др. в "Принцип Бабине, примененный к разработке метаповерхностей и метаматериалов", Phys.Rev.Lett., Том.93, выпуск 19, 197401. CSRR был продемонстрирован в качестве фильтра в микрополосковой геометрии этой же группой ученых. Смотрите, например, Marques и др. в "Неэмпирический анализ частотно-селективных поверхностей на основе традиционных и комплементарных двойных кольцевых резонаторов", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, том 7, выпуск 2, стр.S38-S43 (2005), и Bonache и др. в "Микрополосковые полосовые фильтры с Широкой полосой пропускания и компактными размерами" (Microwave and Optical Technical letters (46:4, стр.343, 2005). Было изучено использование CSRR как структурированных элементов в плоскости заземления микрополосковой линии. Эти группы продемонстрировали микрополосковую линию, эквивалентную среде с отрицательным показателем преломления, сформированным с использованием CSRR, структурированных в плоскости заземления, и емкостных прерывателей в верхнем проводнике. Эта работа была также распространена на компланарные микрополосковые линии.
[0008] Двойной кольцевой резонатор (SRR) по существу реагирует на лежащее вне плоскости магнитное поле (т.е. направленное вдоль оси SRR). Комплементарный SRR (CSRR), с другой стороны, по существу реагирует на лежащее вне плоскости электрическое поле (т.е. направленное вдоль оси CSRR). CSRR можно рассматривать как Бабине-сопряженный SRR, при этом раскрытые здесь варианты выполнения могут включать элементы CSRR, встроенные в проводящую поверхность, например, как профилированные отверстия, травления или перфорации листового металла. В некоторых приложениях, как описано в этом документе, проводящая поверхность со встроенными элементами CSRR является ограничивающим проводником для волноводной структуры, такой как плоский волновод, микрополосковая линия и т.д.
[0009] Тогда как двойной кольцевой резонатор (SRR) по существу взаимодействует с лежащим вне плоскости магнитным полем, некоторые приложения метаматериалов используют элементы, которые по существу взаимодействуют с лежащим в плоскости электрическим полем. Эти альтернативные элементы могут быть названы как электрические LC (ELC) резонаторы, причем иллюстративные конфигурации приведены в статье D.Schurig и др. "Резонаторы, связанные электрическим полем, для метаматериалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью", Appl.Phys.Lett., 88, 041109 (2006). Хотя электрический LC (ELC) резонатор по существу взаимодействует с лежащим в плоскости электрическим полем, комплементарный электрический LC (CELC) резонатор по существу реагирует на лежащее в плоскости магнитное поле. Резонатор CELC можно рассматривать как Бабине-сопряженный резонатор ELC, при этом раскрытые в этом документе варианты выполнения могут включать элементы CELC резонатора (в качестве альтернативы или в дополнение к CSRR элементам), встроенные в проводящую поверхность, например, как профилированные отверстия, травления или перфорации листового металла. В некоторых приложениях, как описано в этом документе, проводящая поверхность со встроенными CSRR и/или CELC элементами является ограничивающим проводником для волноводной структуры, такой как плоский волновод, микрополосковая линия и т.д.
[0010] Некоторые варианты выполнения, описанные в этом документе, используют комплементарные электрические LC (CELC) элементы из метаматериала для обеспечения эффективной магнитной проницаемости для волноводных структур. В различных вариантах выполнения эффективная (относительная) магнитная проницаемость может быть больше единицы, меньше единицы, но больше нуля, или меньше нуля. В качестве альтернативы или дополнительно, некоторые варианты выполнения, описанные в этом документе, используют элементы комплементарного двойного кольцевого резонатора (CSRR) из метаматериала, для обеспечения эффективной диэлектрической проницаемости для плоских волноводных структур. В различных вариантах выполнения эффективная (относительная) диэлектрическая проницаемость может быть больше единицы, меньше единицы но больше нуля, или меньше нуля.
[0011] Иллюстративные не ограничивающие признаки различных вариантов выполнения включают:
- Структуры, для которых эффективная диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость или показатель преломления близки к нулю;
- Структуры, для которых эффективная диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость или показатель преломления меньше нуля;
- Структуры, для которых эффективная диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость является неопределенным тензором (т.е. имеют как положительные, так и отрицательные собственные значения);
- Градиентные структуры, например, для фокусировки пучка, коллимирования пучка или управления пучком;
- Согласующие импеданс структуры, например, для уменьшения вносимых потерь;
- Фидерные структуры для антенных решеток;
- Использование комплементарных элементов из метаматериала, таких как CELC и CSRR, для по существу независимого настраивания магнитных и электрических откликов, соответственно, поверхности или волновода, например, в целях согласования импеданса, создания градиентов или управления дисперсией;
- Использование комплементарных элементов из метаматериала с регулируемыми физическими параметрами для создания устройств, имеющих соответствующим образом регулируемые электромагнитные отклики (например, для регулировки угла управления устройства управления пучком или фокусного расстояния устройства фокусировки пучка);
- Поверхностные структуры и волноводные структуры, которые работают на РЧ, микроволновых или даже более высоких частотах (например миллиметрового, инфракрасного и видимого диапазонов длин волн).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Эти и другие признаки и преимущества будут лучше и более полно поняты со ссылкой на следующее подробное описание иллюстративных не ограничивающих примеров реализации в сочетании с чертежами, на которых:
[0013] Фиг.1-1D изображают волноводную комплементарную ELC (с магнитным откликом) структуру (Фиг.1) и связанные с этой структурой графики эффективной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, волнового сопротивления и показателя преломления (Фиг.1А-1D);
[0014] Фиг.2-2D изображают волноводную комплементарную SRR (с электрическим откликом) структуру (Фиг.2) и связанные с этой структурой графики эффективной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, волнового сопротивления и показателя преломления (Фиг.2А-2D);
[0015] Фиг.3-3D изображают волноводную структуру с обоими CSRR и CELC элементами (например, чтобы обеспечить эффективный отрицательный показатель преломления) (Фиг.3) и связанные с этой структурой графики эффективной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, волнового сопротивления и показателя преломления (Фиг.3A-3D);
[0016] Фиг.4-4D изображают волноводную структуру с обоими CSRR и CELC элементами (например, чтобы обеспечить эффективный отрицательный показатель преломления) (Фиг.4) и связанные с этой структурой графики эффективной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, волнового сопротивления и показателя преломления (Фиг.4a-4D);
[0017] Фиг.5-5D изображают микрополосковую комплементарную структуру ELC (Фиг.5) и связанные с этой структурой графики эффективной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, волнового сопротивления и показателя преломления (Фиг.5А-5D);
[0018] Фиг.6-6D изображают микрополосковую структуры с обоими CSRR и CELC элементами (например, чтобы обеспечить эффективный отрицательный показатель преломления) (Фиг.6) и связанные с этой структурой графики эффективной диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, волнового сопротивления и показателя преломления (Фиг.6А-6D);
[0019] Фиг.7 изображает иллюстративную CSRR решетку как 2D-структуру планарного волновода;
[0020] Фиг.8-1 изображает получаемую диэлектрическую проницаемость и магнитную проницаемость элемента CSRR, а Фиг.8-2 изображает зависимость полученных диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости от геометрического параметра элемента CSRR;
[0021] Фиг.9-1, 9-2 изображают данные в двумерном представлении для реализации 2D-структуры планарного волновода, соответственно, для приложений управления пучком и фокусировки пучка;
[0022] Фиг.10-1, 10-2 изображают иллюстративную CELC решетку как 2D-структуру планарного волновода, обеспечивая неопределенную среду, и
[0023] Фиг.11-1, 11-2 изображают основанную на волноводе линзу с градиентом показателя преломления, выполненную как фидерная структура для решетки антенных излучателей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0024] Различные варианты выполнения, описанные в этом документе, включают "комплементарные" элементы метаматериала, которые можно рассматривать как Бабине-комплементарные исходных элементов метаматериала, таких как двойные кольцевые резонаторы (SRR) и электрические LC резонаторы (ELC).
[0025] SRR элемент действует как искусственный магнитный дипольный "атом", создавая по существу магнитный отклик на магнитное поле электромагнитной волны. Его Бабине-сопряженный комплементарный, двойной кольцевой резонатор (CSRR) действует как электрический дипольный "атом", внедренный в проводящую поверхность и создающий по существу электрический отклик на электрическое поле электромагнитной волны. Хотя конкретные примеры, описанные в этом документе, используют CSRR элементы в различных структурах, в других вариантах выполнения они могут быть заменены на альтернативные элементы. Например, любая по существу планарная проводящая структура, имеющая по существу магнитный отклик на лежащее вне плоскости магнитное поле (далее именуемые «элементами М-типа», примером этого является SRR), может определять комплементарную структуру (далее именуемую «комплементарными элементами М-типа», примером этого является CSRR), что является по существу эквивалентной формой отверстия, травления, полости и т.д. в проводящей поверхности. Комплементарные элементы М-типа будут иметь Бабине-сопряженный отклик, т.е. по существу электрический отклик на лежащее вне плоскости электрическое поле. Различные элементы М-типа (каждый определяющий соответствующий комплементарный элемент М-типа) могут включать: вышеупомянутые двойные кольцевые резонаторы (в том числе одинарный двойной кольцевой резонатор (CSRR), сдвоенный двойной кольцевой резонатор (DSRR), двойные кольцевые резонаторы, имеющие несколько зазоров и т.д.), омега-образные элементы (см. C.R.Simovski и S.He, ArXiv::physics/0210049), элементы из пары проводов (см. G.Dolling и др., Opt.Lett. 30, 3198 (2005)), или любые другие проводящие структуры, которые по существу магнитно поляризованы (например, путем индукции Фарадея) в ответ на воздействие внешнего магнитного поля.
[0026] ELC элемент действует как искусственный электрический дипольный "атом", создавая по существу электрический отклик на электрическое поле электромагнитной волны. Его Бабине-сопряженный, комплементарный, электрический LC (CELC) элемент действует как магнитный дипольный "атом", внедренный в проводящую поверхность и создающий по существу магнитный отклик на магнитное поле электромагнитной волны. Хотя конкретные примеры, описанные в этом документе, используют CELC элемент в различных структурах, в других вариантах выполнения он может быть заменен альтернативными элементами. Например, любая по существу планарная проводящая структура, имеющая по существу электрический отклик на лежащее в плоскости электрическое поле (далее именуемая как «элемент Е-типа», примером этого является ELC элемент) может определить комплементарную структуру (далее именуемую «комплементарным элементом Е-типа», примером этого является CELC), что является по существу эквивалентной формой отверстия, травления, полости и т.д. в проводящей поверхности. Комплементарный элемент Е-типа будет иметь Бабине-сопряженный отклик, т.е. по существу магнитный отклик на лежащее в плоскости магнитное поле. Различные элементы Е-типа (каждый определяет соответствующий комплементарный элемент Е-типа) могут включать: емкостно-подобные структуры, соединенные с ориентированными в противоположные стороны петлями (как показано на Фиг.1, 3, 4, 5, 6, 10-1, с другими иллюстративными примерами, изображенными в статье D.Schurig и др. «Резонаторы, связанные электрическим полем, для метаматериалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью", Appl.Phys.Lett., 88, 041109 (2006), и в статье Н.-Т.Сеn и др., «Комплементарные планарные терагерцовые метаматериалы», Opt.Exp.15, 1084 (2007)), замкнутые кольцевые элементы (см. R.Liu и др. «Оптика с широкополосным градиентным индексом, основанная на не-резонансных метаматериалах», не опубликовано; смотрите приложение), I-образную или формы «собачей кости» структуру (см. R.Liu и др. «Широкополосный клоакинг в плоскости заземления», Science, 323, 366 (2009)), крестообразные структуры (см. H.-T.Cen и др., ссылка дана выше), или любые другие проводящие структуры, которые по существу электрически поляризованы в ответ на приложенное электрическое поле. В различных вариантах выполнения комплементарный элемент Е-типа может иметь по существу изотропный магнитный отклик в плоскости магнитного поля, или по существу анизотропный магнитный отклик в плоскости магнитного поля.
[0027] Хотя элемент М-типа может иметь по существу магнитный отклик (вне плоскости), в некоторых подходах элемент М-типа может дополнительно иметь (в плоскости) электрический отклик, который является также существенным, но имеет меньшую величину, чем (например, с меньшей восприимчивостью) магнитный отклик. В этих подходах соответствующий комплементарный элемент М-типа будет иметь по существу (вне плоскости) электрический отклик и, кроме того (в плоскости), магнитный отклик, который также является существенным, но имеет меньшую величину, чем (например, с меньшей восприимчивостью) электрический отклик. Аналогичным образом, тогда как элемент Е-типа может иметь по существу (в плоскости) электрический отклик, в некоторых подходах элемент Е-типа может дополнительно иметь (вне плоскости) магнитный отклик, который также является существенным, но имеет меньшую величину, чем (например, с меньшей восприимчивостью) электрический отклик. В этих подходах соответствующий комплементарный элемент Е-типа будет иметь по существу (в плоскости) магнитный отклик и, кроме того (вне плоскости), электрический отклик, который также является существенным, но имеет меньшую величину, чем (например, с меньшей восприимчивостью) магнитный отклик.
[0028] Некоторые варианты выполнения обеспечивают волноводную структуру, имеющую одну или несколько ограничивающих проводящих поверхностей, которые включают комплементарные элементы, такие как описаны выше. В контексте волновода количественное присваивание величин традиционно связано с объемными материалами - таких как диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, показатель преломления и волновое сопротивление - могут быть определены для планарных волноводов и микрополосковых линий структурированных с комплементарными структурами. Например, один или несколько комплементарных элементов М-типа, таких как CSRR, структурированных в одной или нескольких ограничивающих поверхностях волноводной структуры, могут быть охарактеризованы как имеющие эффективную диэлектрическую проницаемость. Следует отметить, что эффективная диэлектрическая проницаемость может проявлять как большие положительные, так и большие отрицательные значения, а также значения между нулем и единицей, включительно. Устройства могут быть разработаны, основываясь по меньшей мере частично на диапазоне свойств, которые проявляют элементы М-типа, как будет описано далее. Численные и экспериментальные способы количественного выполнения этого задания хорошо определены.
[0029] В качестве альтернативы или дополнительно, в некоторых вариантах выполнения комплементарные элементы Е-типа, такие как CELC, структурированные в волноводную структуру таким же образом, как описано выше, имеют магнитный отклик, который может быть охарактеризован как эффективная магнитная проницаемость. Комплементарные элементы Е-типа, таким образом, могут проявлять как большие положительные, так и большие отрицательные значения эффективной магнитной проницаемости, а также эффективные магнитные проницаемости, которые варьируются между нулем и единицей, включительно. (На протяжении всего этого описания в описании диэлектрической и магнитной проницаемости для комплементарных структур Е-типа и комплементарных структур М-типа указываются, как правило, вещественные части, за исключением случаев, когда контекст диктует иное, как должно быть очевидно для специалиста в данной области.) Поскольку оба типа резонаторов могут быть использованы в контексте волновода, может быть достигнуто практически любое эффективное состояние материала, в том числе с отрицательным показателем преломления (как диэлектрическая проницаемость, так и магнитная проницаемость меньше нуля), что позволяет осуществлять значительный контроль над волнами, распространяющимися через эти структуры. Например, некоторые варианты выполнения могут обеспечивать эффективные материальные параметры, по существу соответствующие преобразованию оптической среды (в соответствии со способом оптического преобразования, например, как описано в заявке на патент США №11/459,728, озаглавленной «Электромагнитный клоакинг» на имя J.Pendry и др.).
[0030] При использовании различных комбинаций комплементарных элементов Е-типа и/или М-типа может быть образован широкий спектр устройств. Например, практически все устройства, которые были продемонстрированы Caioz и Itoh, использующие CRLH TL, имеют аналоги в волноводных структурах из метаматериала, описанных в этом документе. Совсем недавно, Silvereinha и Engheta предложили интересное согласующее устройство, основанное на создании области, в которой эффективный показатель преломления (или коэффициент распространения) близок к нулю (CITE). Эквивалент такой среде может быть создан путем структурирования комплементарных элементов Е-типа и/или М-типа в ограничивающих поверхностях волноводной структуры. На чертежах показаны и описаны иллюстративные примеры не ограничивающих реализации согласующего устройства с нулевым показателем преломления и других устройств с использованием структурированных волноводов, и несколько изображений, показывающих, как могут быть применены структурированные не ограничивающие структуры.
[0031] Фиг.1 показывает иллюстративный пример не ограничивающих волноводных комплементарных ELC (магнитный отклик) структур, а Фиг.1А-1D показывают соответствующие иллюстративные графики эффективного показателя преломления, волнового сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Хотя изображенный пример показывает только один элемент CELC, другие подходы обеспечивают большое количество CELC (или других комплементарных Е-типа) элементов, расположенных на одной или нескольких поверхностях волноводной структуры.
[0032] Фиг.2 показывает иллюстративный пример не ограничивающих волноводных комплементарных SRR (электрический отклик) структур, а Фиг.2А-2D показывают соответствующие иллюстративные графики эффективного показателя преломления, волнового сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Хотя изображенный пример показывает только один элемент CSRR, другие подходы обеспечивают большое количество CSRR (или других комплементарных М-типа) элементов, расположенных на одной или нескольких поверхностях волноводной структуры.
[0033] Фиг.3 показывает иллюстративный пример не ограничивающей волноводной структуры с обоими CSRR и CELC элементами (например, для обеспечения эффективного отрицательного показателя преломления), в котором CSRR и CELC структурировании на противоположных поверхностях планарного волновода, а Фиг.3A-3D показывают соответствующие иллюстративные графики эффективного показателя преломления, волнового сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Хотя изображенный пример показывает только один элемент CELC на первой ограничивающей поверхности волновода и один элемент CSRR на второй ограничивающей поверхности волновода, другие подходы обеспечивают большое количество комплементарных элементов Е-типа и/или М-типа, расположенных на одной или нескольких поверхностях волноводной структуры.
[0034] Фиг.4 показывает иллюстративный пример не ограничивающей волноводной структуры как с CSRR элементами, так и с CELC элементами (например, для обеспечения эффективного отрицательного показателя преломления), в которой CSRR и CELC структурированы на одной и той же поверхности плоского волновода, а Фиг.4А-4D показывают соответствующие иллюстративные графики эффективного показателя преломления, волнового сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Хотя изображенный пример показывает только один элемент CELC и один элемент CSRR на первой ограничивающей поверхности волновода, другие подходы обеспечивают большое количество комплементарных элементов Е-типа и/или М-типа, расположенных на одной или нескольких поверхностях волноводной структуры.
[0035] Фиг.5 показывает иллюстративный пример не ограничивающей микрополосковой комплементарной ELC структуры, а Фиг.5А-5D показывают соответствующие иллюстративные графики эффективного показателя преломления, волнового сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Хотя изображенный пример показывает только один элемент CELC в плоскости заземления микрополосковой структуры, другие подходы обеспечивают большое количество CELC (или других комплементарных Е-типа) элементов, расположенных на одной или обеих частях микрополосковой структуры, или в плоскости заземления микрополосковой структуры.
[0036] Фиг.6 показывает иллюстративный пример не ограничивающей структуры микрополосковой линии как с CSRR элементами, так и с CELC элементами (например, для обеспечения эффективного отрицательного показателя преломления), а Фиг.6A-6D показывают соответствующие иллюстративные графики эффективного показателя преломления, волнового сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Хотя изображенный пример показывает только один элемент CSRR и два элемента CELC в плоскости заземления микрополосковой структуры, другие подходы обеспечивают большое количество комплементарных элементов Е-типа и/или М-типа, расположенных на одной или обеих частях микрополосковой структуры в плоскости заземления микрополосковой структуры.
[0037] Фиг.7 иллюстрирует использование CSRR решетки в качестве 2D волноводной структуры. В некоторых подходах 2D волноводная структура может иметь ограничивающие поверхности (например, верхнюю и нижнюю металлические пластины, изображенные на Фиг.7), которые структурированы с комплементарными элементами Е-типа и/или М-типа для реализации функциональных возможностей, таких как согласование импеданса, создание градиента или управление дисперсией.
[0038] Как пример создания градиента, структура CSRR, показанная на Фиг.7, была использована для формирования как структур для управления пучком с помощью градиента показателя преломления, так и структур для фокусировки пучка. Фиг.8-1 иллюстрирует один иллюстративный элемент CSRR и полученные диэлектрическую и магнитную проницаемости, соответствующие CSRR (в геометрии волновода). При изменении параметров в конструкции CSRR (в данном случае кривизны каждого изгиба CSRR), показатель преломления и/или импеданс могут быть настроены, как показано на Фиг.8-2.
[0039] CSRR структура, изложенная, как показано на Фиг.7, с по существу линейным градиентом показателя преломления, введенным в направлении поперек направления падающего направляющего пучка, создает выходной пучок, который поворачивается до угла, отличающегося от угла падающего пучка. Фиг.9-1 показывает иллюстративные данные в двумерном представлении, полученные при осуществлении 2D волноводной планарной структуры с управлением пучком. Устройство отображения двумерных данных было описано довольно подробно в литературе [В.J.Justice, J.J.Mock, L.Guo, A.Degiron, D.Schurig, D.R.Smith, «Пространственное отображение внутреннего и внешнего электромагнитного поля метаматериалов с отрицательным показателем преломления», Optics Express, Том 14, стр.8694 (2006)]. Аналогичным образом, использование параболического градиента показателя преломления в направлении поперек падающего пучка в CSRR решетке создает фокусирующую линзу, например, как показано на Фиг.9-2. В более общем плане, поперечный профиль показателя преломления, который является вогнутой функцией (параболической или другой), будет оказывать положительный эффект фокусировки так, как показано на Фиг.9-2 (соответствующий положительному фокусному расстоянию); поперечный профиль показателя преломления, который является выпуклой функцией (параболической или другой), будет оказывать отрицательный эффект фокусировки (что соответствует отрицательному фокусному расстоянию, например, принимать коллимированный пучок и передавать расходящийся пучок). Для подходов, в которых элементы метаматериала содержат настраиваемые элементы метаматериала (см. ниже), варианты выполнения могут обеспечивать устройство с электромагнитной функцией (например, управления пучком, фокусировки пучка и т.д.), которая может быть настроена соответствующим образом. Так, например, устройство управления пучком может быть отрегулировано таким образом, чтобы обеспечивать по меньшей мере первый и второй углы отклонения; устройство фокусировки пучка может быть отрегулировано таким образом, чтобы по меньшей мере обеспечивать первое и второе фокусные расстояния и т.д. Пример 2D среды, образованной с помощью CELC, показан на Фиг.10-1 и 10-2. На этих чертежах анизотропия в плоскости CELC используется для формирования «неопределенной среды», в которой первый лежащий в плоскости компонент магнитной проницаемости отрицателен, а другой лежащий в плоскости компонент положителен. Такая среда создает частичную перефокусировку волн от линейного источника, как показано на экспериментально полученном изображении двумерных данных на Фиг.10-2. Фокусирующие свойства объемной «неопределенной среды» уже сообщались ранее [D.R.Smith, D.Schurig, J.J.Mock, P.Kolinko, P.Rye, «Частичная фокусировка излучения пластиной неопределенной среды», Applied Physics Letters, Том 84, стр.2244 (2004)]. Эксперименты, показанные на этих чертежах, подтверждают конструктивный подход и показывают, что волноводные элементы из метаматериала могут быть получены с помощью усложненных функций, включая анизотропию и градиентную технику.
[0040] На Фиг.11-1 и 11-2 основанная на волноводе структура с градиентом показателя преломления (например, имеющая пограничные проводники, которые содержат комплементарные элементы Е-типа и/или М-типа, как показано на Фиг.7 и 10-1) расположена в качестве фидерной структуры для решетки антенных излучателей. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг.11-1 и 11-2, фидерные структуры коллимируют волны от одного источника, которые затем возбуждают решетку антенных излучателей. Этот тип конфигурации антенны хорошо известен как конфигурация линз Ротмана. В этом иллюстративном варианте выполнения волноводный метаматериал обеспечивает линзу с эффективным градиентом показателя преломления внутри планарного волновода, с помощью которого плоская волна может быть создана точечным источником, расположенным на фокальной плоскости линзы с градиентом показателя преломления, о чем свидетельствует "точки возбуждения", показанные на Фиг.11-2. Для антенны с линзой Ротмана можно разместить несколько точек возбуждения на фокальной плоскости линзы с градиентом показателя преломления, выполненной из метаматериала, и соединить элементы антенны с выходом волноводной структуры, как показано на Фиг.11-1. Из хорошо известной теории оптики, разность фаз между каждой антенной будет зависеть от положения возбуждающего источника, так что может быть осуществлено формирование пучка с фазированной решеткой. Фиг.11-2 представляет собой изображение данных в двумерном представлении, показывающее изображение данных в двумерном представлении от линейного источника, возбуждающего в фокусе планарный волновод из метаматериала с градиентом показателя преломления, что приводит к коллимированному пучку. Хотя иллюстративная фидерная структура, изображенная на Фиг.11-1 и 11-2, изображает конфигурацию с линзой типа Ротмана, для которой фазовые различия антенны по существу определяются расположением точек возбуждения, в других подходах фазовые различия антенны определяются путем выполнения точек возбуждения стационарными и регулировки электромагнитных свойств (и, следовательно, характеристик распространения фазы) линзы с градиентом показателя преломления (например, путем развертывания регулируемых элементов из метаматериала, как это обсуждается ниже), тогда как другие варианты выполнения могут сочетать в себе оба подхода (т.е. корректировку как положения точки возбуждения, так и параметров линзы, чтобы в совокупности достичь требуемого фазового различия антенны).
[0041] В некоторых подходах волноводная структура, имеющая порт входа или область входа для получения электромагнитной энергии, может содержать согласующий импеданс слой (IML), расположенный в порту входа или области входа, например, для улучшения вносимых потерь на входе путем сокращения или по существу устранения отражений в порту входа или области входа. В качестве альтернативы или дополнительно, в некоторых подходах волноводная структура, имеющая порт выхода или область выхода для передачи электромагнитной энергии, может содержать согласующий импеданс слой (IML), расположенный в порту выхода или области выхода, например, для улучшения вносимых потерь на выходе путем сокращения или по существу устранения отражений в порту выхода или области выхода. Согласующий импеданс слой может иметь такой профиль волнового сопротивления, который обеспечивает по существу непрерывное изменение волнового сопротивления, от изначального волнового сопротивления на внешней поверхности волноводной структуры (например, когда волноводная структуры примыкает к соседней среде или устройству) до конечного волнового сопротивления на границе между IML и областью градиента показателя преломления (например, что обеспечивает функции устройства, такие как управление пучком или фокусировку пучка). В некоторых подходах по существу непрерывное изменение волнового сопротивления соответствует по существу непрерывному изменению показателя преломления (например, когда поворот расположения одного вида элементов регулирует эффективный показатель и эффективное волновое сопротивление в соответствии с фиксированным соответствием так, как изображено на Фиг.8-2), тогда как в других подходах волновое сопротивление может быть изменено по существу независимо от показателя преломления (например, путем развертывания комплементарных элементов как Е-типа, так и М-типа и независимо поворачивая расположения двух видов элементов, чтобы соответственно независимо настраивать эффективный показатель преломления и эффективное волновое сопротивление).
[0042] Хотя иллюстративные варианты выполнения обеспечивают пространственное расположение комплементарных элементов из метаматериала, имеющих разнообразные геометрические параметры (такие как длина, толщина, радиус кривизны, или размер элементарной ячейки) и, соответственно, разнообразные индивидуальные электромагнитные отклики (например, как показано на Фиг.8-2), в других вариантах выполнения другие физические параметры комплементарных элементов из метаматериала варьируются (в качестве альтернативы или в дополнение к варьируемым геометрическим параметрам), чтобы обеспечить варьируемые индивидуальные электромагнитные отклики. Например, варианты выполнения могут включать комплементарные элементы из метаматериала (такие как CSRR или CELC), которые дополняют оригинальные элементы из метаматериала, которые включают емкостные зазоры, а также комплементарные элементы из метаматериала могут быть параметризованы путем варьирования емкости емкостных зазоров оригинальных элементов из метаматериала. Эквивалентно этому, замечая, что из теоремы Бабине следует, что емкость в элементе (например, выполненная в форме планарного встречно-штыревого конденсатора с меняющимся количеством штырей и/или с меняющейся длиной штыря) становится индуктивностью в комплементарном элементе (например, выполненной в форме меандровой линии индуктивности, имеющей меняющееся число витков и/или меняющуюся длину витка), комплементарные элементы могут быть параметризованы путем варьирования индуктивности комплементарных элементов из метаматериала. В качестве альтернативы или дополнительно, варианты выполнения могут содержать комплементарные элементы из метаматериала (таких как CSRR или CELC), которые являются комплементарными изначальным элементам из метаматериала, которые содержат индуктивные схемы, при этом комплементарные элементы из метаматериала могут быть параметризованы путем варьирования индуктивностей в индуктивных цепях из изначальных элементов из метаматериала. Эквивалентно этому, замечая, что из теоремы Бабине следует, что индуктивность в элементе (например, выполненная в форме меандровой линии индуктивности, имеющей меняющееся число витков и/или меняющуюся длину витка) становится емкостью в комплементарном элементе (например, выполненной в форме планарного встречно-штыревого конденсатора с меняющимся количеством штырей и/или с меняющейся длиной штыря), комплементарные элементы могут быть параметризованы путем варьирования емкости комплементарных элементов из метаматериала. Кроме того, по существу пленарный элемент из метаматериала может иметь свои емкости и/или индуктивности, дополненные путем присоединения сосредоточенной емкости или сосредоточенной индуктивности. В некоторых подходах варьируемые физические параметры (например, геометрические параметры, емкости, индуктивности) определяются в соответствии с регрессионным анализом, касающимся электромагнитных откликов на варьируемые физические параметры (см. регрессионные кривые на Фиг.8-2).
[0043] В некоторых вариантах выполнения комплементарные элементы из метаматериала представляют собой регулируемые элементы, имеющие регулируемые физические параметры, соответствующие индивидуальным регулируемым электромагнитным откликам элементов. Например, варианты выполнения могут включать комплементарные элементы (такие, как CSRR) с регулируемыми емкостями (например, путем добавления варакторов между внутренней и внешней металлическими областями CSRR, как описано в статье A.Velez и J.Bonarche, «Варакторно-нагруженные комплементарные двойные кольцевые резонаторы (VLCSRR) и их применение к перестраиваемым передающим линиям из метаматериала», IEEE Microw.Wireless Compon.Lett. 18, 28 (2008)). В другом подходе, в котором варианты выполнения волновода имеют верхний и нижний проводники (например, полосу и плоскость заземления) с промежуточной диэлектрической подложкой, комплементарные элементы из метаматериала, встроенные в верхний и/или нижний проводник, могут быть регулируемыми путем обеспечения диэлектрической подложки с нелинейным диэлектрическим откликом (например, сегнетоэлектрик) и приложения напряжения смещения между двумя проводниками. В еще одном подходе светочувствительный материал (например, полупроводниковый материал, такой как GaAs, или кремний n-типа) может быть помещен рядом с комплементарным элементом из метаматериала, а электромагнитный отклик элемента может быть отрегулирован путем выборочного приложения оптической энергии к светочувствительному материалу (например, чтобы вызвать фотолегирование). В еще одном подходе магнитный слой (например, из ферримагнитного или ферромагнитного материала) может быть помещен рядом с комплементарным элементом из метаматериала, а электромагнитный отклик элемента может быть отрегулирован путем приложения магнитного поля смещения (например, как описано в J.Gollub и др. «Гибридные резонансные явления в структуре из метаматериала с интегрированным резонансным магнитным материалом», ArXiv:0810.4871 (2008)). Хотя иллюстративные варианты выполнения, приведенные в этом документе, могут использовать регрессионный анализ, касающийся электромагнитных откликов на геометрические параметры (см. регрессионные кривые на Фиг.8-2), варианты выполнения с регулируемыми элементами могут использовать регрессионный анализ, касающийся электромагнитных откликов на регулируемые физические параметры, которые по существу коррелируют с электромагнитными откликами.
[0044] В некоторых вариантах выполнения с регулируемыми элементами, имеющими регулируемые физические параметры, регулируемые физические параметры могут регулироваться в ответ на один или несколько внешних вводимых параметров, таких как вводимое напряжение (например, напряжения смещения для активных элементов), вводимый ток (например, прямая инжекция носителей заряда в активные элементы), оптические вводы (например, освещение светочувствительного материала), или полевые вводы (например, смещающие электрические / магнитные поля для подходов, которые включают сегнетоэлектрики / ферромагнетики). Соответственно, некоторые варианты выполнения обеспечивают способы, которые включают определение соответствующего значения регулируемых физических параметров (например, путем регрессионного анализа), затем обеспечивая один или несколько управляющих вводов, соответствующих определенным соответствующим значениям. Другие варианты выполнения обеспечивают адаптивные или регулируемые системы, которые содержат блок управления, имеющий схему, выполненную с возможностью определения соответствующих значений регулируемых физических параметров (например, путем регрессионного анализа) и/или обеспечения одного или нескольких управляющих вводов, соответствующих определенным соответствующим значениям.
[0045] Хотя некоторые варианты выполнения используют регрессионный анализ, связывающий электромагнитные отклики с физическими параметрами (в том числе регулируемыми физическими параметрами), для вариантов выполнения, в которых соответствующие регулируемые физические параметры определяются с помощью одного или нескольких управляющих вводов, регрессионный анализ может непосредственно связывать электромагнитные отклики с управляющими вводами. Например, если регулируемым физическим параметром является регулируемая емкость варактора, как определено из приложенного напряжения смещения, регрессионный анализ может связывать электромагнитные отклики с регулируемой емкостью, или же регрессионный анализ может связывать электромагнитные отклики с приложенным напряжением смещения.
[0046] Хотя некоторые варианты выполнения обеспечивают по существу узкополосные отклики на электромагнитное излучение (например, для частот в окрестности одной или нескольких резонансных частот комплементарных элементов из метаматериала), другие варианты выполнения обеспечивают по существу широкополосные отклики на электромагнитное излучение (например, для частот, по существу меньших чем, по существу больших чем, или в ином случае по существу отличающихся от одной или нескольких резонансных частот комплементарных элементов из метаматериала). Например, варианты выполнения могут рассредотачивать Бабине-комплементарные широкополосные элементы из метаматериала, как описано в статье R.Liu и др. «Широкополосная оптика с градиентным показателем преломления, основанная на нерезонансных метаматериалах», не опубликована; см. Приложение) и/или в статье R.Liu и др. «Широкополосный клоакинг в плоскости заземления», Science 323, 366 (2009)).
[0047] Хотя предшествующие иллюстративные варианты выполнения являются планарными вариантами выполнения, которые по существу двумерны, другие варианты выполнения могут рассредотачивать комплементарные элементы из метаматериала в по существу не планарных конфигурациях и/или в по существу трехмерных конфигурациях. Например, варианты выполнения могут обеспечивать по существу трехмерную стопку слоев, причем каждый слой имеет проводящую поверхность со встроенными комплементарными элементами из метаматериала. В качестве альтернативы или дополнительно, комплементарные элементы из метаматериала могут быть встроены в проводящие поверхности, которые являются по существу не планарными (например, цилиндры, сферы и др.). Например, устройство может содержать искривленную проводящую поверхность (или несколько), которые содержат комплементарные элементы из метаматериала, при этом искривленная проводящая поверхность может иметь радиус кривизны, который по существу больше, чем характерный масштаб длины комплементарных элементов из метаматериала, но сопоставим или по существу меньше, чем длина волны, соответствующая рабочей частоте устройства.
[0048] Хотя технология в этом документе был описана в связи с иллюстративными не ограничивающими реализациями изобретения, изобретение не должно быть ограничено этим описанием. Изобретение ограничивается формулой изобретения охватывает все соответствующие и эквивалентные конфигурации, вне зависимости от того, раскрыты они или не раскрыты в настоящем документе.
[0049] Все документы и другие источники информации, на которые сделаны ссылки выше, включены в настоящий документ в полном объеме посредством ссылки.