在亚波长相互耦合现象的比较脊圆形光阑和半波偶极子天线阵列

文摘

几个耦合的亚波长的谐振微波传输特点脊圆形光圈安排了金属薄膜使用三维有限差分时域(3 d FDTD)方法。简单的等效电路为代表的自我和相互电导定量提取对于每个谐振条件,包括相互耦合影响,也设计了虚拟磁当前元素的帮助下。此外,脊之间的二元性识别圆形光阑和常规半波偶极子阵列基于比较各自的共振条件。

1。介绍

是的平面电磁波的衍射理论在传输过程中通过一个圆孔在一个极其薄完美进行屏幕状态,通过亚波长孔传播力量非常受限制的,是成正比的(1),圆孔的半径,是波长。此外,传输效率指数下降当屏幕的厚度是2]。因此,这个可怜的传输效率一直被视为一个基本限制在处理电磁传输通过一个小洞。因此,几个表哥结构研究了克服这个限制。哈林顿的概念,分析了电小孔径进行屏幕由导电体(3),称为aperture-body共振(ABR),在亚波长孔装有附近的导体大大增加了功率吞吐量相比没有附近的散射体有一个洞。灵感来自ABR, Leviatan调查之间的电磁耦合现象两个半无限区域隔开两个slot-perforated并行进行飞机(4]。在这种情况下,当不同的每个槽的中心之间的距离,一个谐振传输现象观察,发生共振间距,方法的倍数。同样,电磁传播的问题通过两条缝平行板的帮助下可以解决等效电路表示(5]。这里,当两个板块之间的差距是足够近,意义远远小于入射波的波长,由此产生的最大传输功率变成常数,即,无论狭缝宽度和入射角。与此同时,在厚的情况下进行屏幕,共振传输已经通过改变屏幕的厚度进行调查(6]。在这种情况下,不同的共振现象观察到当共振腔槽区域内沿纵向方向。另外,添加两脊一个电小圆形光圈也大大提高了传输功率(7- - - - - -9]。的共振输电脊圆形光阑作为它们之间的距离的函数是最近还探索了10(中),证实11),而偶极子安排(12),并研究其无限周期结构(13]。此外,最近的表面电浆子的兴趣(SPs),其次是艾布森的开创性发现非凡的光传输(测试结束)14),导致光传输通过领结、H和c形孔多孔金属板(15- - - - - -21]。这种共振机制也非常类似于脊圆形光阑用于微波频段。广泛的分析脊圆形光阑(或h型的光阑)已经完成。这里,成脊状圆形光圈的共振频率可以调节修改每个脊的宽度和山脊之间的差距没有重新调节主机圆形,缝隙天线的谐振频率时,这是一个基本的孔径天线结构,取决于槽的宽度。尽管,如果金属的厚度在光学政权被认为是,共振传导机制不完全相同的一个完美的电导体在微波频段。

然而,尽管大量的以前的工作在脊结构,深入研究了多个亚波长共振光阑仍然需要和迷人的。一旦确定单脊孔径的结构,多个孔的排列成为一个重要的问题的潜在电磁波的操纵,这意味着传输和/或在特定光谱反射感兴趣的可以定制。因此,这项研究检查传输中心到中心的距离的函数对垂直和水平排列结构。灵感来自我们的以前的观测(12),距离为最小和最大发射功率为不同的安排,然后检查间隔距离相比传统的偶极子阵列。此外,正如讨论(12),获得一个等效电路表示,这有助于了解谐振传输机制。此外,辐射电导变化和电纳的一个圆形光圈的情况下讨论了ridge-loaded ridge-removed孔径。因此,self-conductance和相互电导的最大和最小发射功率的脊圆形光阑发现非常相似的固有电阻和共同抵抗偶极天线阵列的最大和最小涨幅,允许建立它们之间的二元性。共振脊光圈的使用已经提出了许多应用程序,包括纳米光刻技术(22),单分子荧光测量(23),和光学数据存储(24- - - - - -27],等等28- - - - - -30.],这项研究可能是一个垫脚石的单谐振孔孔径的二维数组,例如,一个频率选择表面(FSS) (31日),一个重要的电磁结构有许多潜在的应用。

2。为各种耦合情况下谐振传输

本研究介绍了电磁波散射的问题使用亚波长成脊状圆形光阑穿孔在无穷小薄金属屏幕(在这里,一个完美的电导体)。五种不同孔径的安排,如图1,被认为是调查相互耦合现象和相关物理。孔径尺寸是任意选择的允许结构产生共鸣的x波段(8 - 12 GHz);每个圆孔的直径是7.5毫米,脊宽度是2.1毫米,两脊之间的差距是0.9毫米。平面波认为是正常事件从背面到屏幕上,也就是说,沿着+方向,而电场线性偏振沿方向横岭。如果电场的极化与岭,也就是说,在方向,这将限制电磁波传输(7]。三维有限差分时域(3 d FDTD)方法(32)被用来分析结构。完全匹配层吸收边界条件(PML abc)设置在所有六个(,,)周围的边界。结构是使用模拟量数值解决16.8毫米16.8毫米9.9毫米(- - - - - -,- - - - - -,- - - - - -轴)包括PML地区。另外,25个空气缓冲细胞用于事件和地区传播设在。单位时间步的每个更新是麦克斯韦方程证券交易委员会,决定使用的稳定条件和柯朗因子FDTD算法。

数值分析的FDTD模拟、传输截面(TCS)获得了计算小脊环形光阑的传输效率。TCS的定义是传输功率的比值入射功率密度如下: 在哪里和横向电场和磁场的光圈,分别星号表示复杂的共轭,然后呢是单位细胞区域的孔径。的入射功率密度,在那里是电场与高斯入射平面波的形式,然后呢()的固有阻抗是自由空间。使用这个定义,TCS的单脊圆形光圈,情况下,如图所示1被确定为180.84毫米²在11.02 GHz的共振频率。

前调查TCS多种孔径的变化情况下,虚拟磁电流被定义。当平面波入射孔径,分的电场集中在两个山脊之间的差距(忽略少量的),从而产生的等效磁流红线图,描绘成短1。在这里,是感应电场在山脊之间的差距,然后呢的法向量飞机。稍后将会检查,半波偶极子阵列的物理学也适用于数组的等效磁电流,它是有用的对于理解的耦合机制耦合脊圆孔结构(12]。5例图的分类1基于等效磁流元素的安排吗二元性的,允许一个方便的比较当前的结构和偶极子阵列。

图2显示了TCS resonantfrequency变化的11.02 GHz的函数之间的距离两个耦合谐振结构,分别情况下,B和C。中心之间的距离测量的两个共振光阑。最大和最小的距离tcs病例B和C表中列出1。的相对磁偶极子天线元素的安排,最大(最小)tcs的距离非常接近半波偶极子天线的情况下33,34),最大(最小)两个偶极子天线的增益比率并肩共线和安排当偶极子近似实现(),(分别)彼此远离。在这里,两项共线和并排反映了偶极子安排(34]。同样,这两项也可以应用于等效磁流元素。因此,并肩共线和情况下对应于图情况下,B和C1,分别。

表2显示单位总TCS和TCS孔径情况下E在11.02 GHz的共振频率。标“max”和“最小值”情况下代表最大和最小TCS病例B和C,分别。情况下,D和E,距离情况下,B和C应用不全面的距离。总结了应用距离表的最后一列2。的TCS-enhancing效果情况()大(小)的情况(),在第三列的表2,这意味着相互耦合,以防C强于以防b这个强耦合在一起的情况下非常类似于并排偶极子阵列。此外,共振频率的情况下,B, C和D仍然单一孔径相同的情况下,也就是说,11.02 GHz,每个孔是在同一频率,共振和2(或4)孔径之间的距离并没有产生任何共振频率的转变。然而,共振频率为例E转变由于轻微的一点区别每个孔的共振频率和最大TCS的对角中心到中心的距离12]。相关的相互耦合增强TCS稍后将进一步讨论。

3所示。等效电路交涉自我和相互电导

3.1。等效电路和辐射导纳为单一孔径

基于表的数值结果2和辐射电导的概念,构造了一个等效电路。图3(一个)显示了一个孔的等效电路在一般情况下。等效电流源可以表示为(8),是入射磁场,有效的实际长度吗标记在图1。和半空间的总另外的区域吗和,分别成为相同的对称结构。一般来说,每个导纳图3(一个)表示为,在那里和孔径辐射电导和电纳,分别。在共振频率为11.02 GHz,虚部成为小于真实的一部分,如图4,这意味着大多数的入射功率传输到相反的区域,而少量的电力储存在孔附近。因此,一个简化的等效电路只有电导,如图3 (b)被用来代表的共振传输地区。相比之下,共振,发射功率大大降低,这意味着电导下降,比电导电纳越来越占主导地位。的确,这代表的权力不是相反的地区传播,而是依然在孔附近。这也是从导纳(电导和电纳)观察到在一个off-resonant频率(即。,except around 11.02 GHz) and the admittance over the whole frequency region for the original circular aperture without any ridges, shown in Figure4。派生的导纳脊和原始主机圆形光阑进行使用的解析表达式35)和3 d FDTD数值结果,如图所示(稍后4)。注意,这种差异在频点的最大辐射电导和零电纳亚波长孔径耦合没有异常,因为小频率之间的差异也被观察到的最大一个偶极子辐射电阻和零电抗(34]。因此,这两种结构的二元性允许他们被认为是彼此相关的,这将在稍后讨论。然而,如果结构包括在分析的厚度(如[12]),这个小频率差异的最大辐射电导和零电纳结构将不再举行,可能比目前的结构。

3.2。Self-Conductance和磁偶极子天线元素的有效长度

如图1,磁偶极子天线元素,这是一样的等效磁电流或虚拟磁电流在前面的小节中,然而在这种情况下,因为这个术语表示不同与传统的偶极子天线更方便比较,几乎被认为是生成的两个山脊之间的,因为一个强大的电场诱导在这个地区。一样的长度相比很短的波长共振频率,也就是说,,这个元素被认为是一样的赫兹偶极子的二元结构,是由辐射的抵抗(36),赫兹偶极子的实际长度。因此,辐射电导的脊孔径写如下基于赫兹偶极子的二元性, 这已经是众所周知的布克的关系37]。这也可以称为self-conductance单一孔径,也就是说,(图3 (b)),与。的下标11不仅代表了散热电导也孔径1情况下的图1。的发射功率为当前的采购,如图3 (b)然后给出 如果这个传输功率然后除以入射功率密度,也就是说,TCS是米²,同意与TCS的情况下获得的数值,是一模一样的最大TCS一般3 d共振光阑,光波导中的模式耦合理论预测的(38]。从(2),的比例系数可以写成,在那里。与此同时,也可以另外表示为(35),也就是说, 在哪里的辐射功率孔径,是电压两个山脊,如图3(一个),光圈是表面向量正常。和很容易获得电磁场的孔径在吗通过三维数值模拟,从self-conductance被发现。从(4)和以前的关系,mm也获得,比波长更短的共振频率为11.02 GHz,也就是说,27.223毫米,稍长于2.1毫米的脊宽度由于电场的强烈约束之间的差距两脊边缘周围的差距。因此,命题获得self-conductance利用赫兹偶极子显然是令人信服的。

3.3。等效电路和相互电导耦合结构

最大的TCS以防B(案例在表2),互导1和2一起之间的光阑被认为是一个适当的等效电路表示。类似于获得,也简单地表示为,在那里比例系数。散热电导与符号的下标12代表光阑1和2之间的相互耦合效应,在案例B图1。下标13和14以下也称为以同样的方式。建立了相应的等效电路代替在图3 (b)并联的和,如图5(一个),总电导然后表示为 回忆总TCS的情况在表2,395.08毫米²= 0.533米²,=年代得到使用(类似于(3))(5)。之间的互导光阑1和3的情况也以同样的方式获得的,也就是说,μ年代(图5(一个)也适用于这种情况)。同样的,情况下的互导和获得,和表中列出3,总结了self-conductance和相互电导(为每种情况,4)。

与此同时,案件的总电导D(最大和最小TCS例应用)写成 在哪里也是互导的比例系数。parallel-in-echelon元素,光阑1和4,也获得,因为,,已经知道。相应的等效电路为例D如图表示5 (b)。以类似的方式和,总TCS的情况在表2,μS (μ获得了(见下表3),远小于和,但不同的标志。相比之下,获得了TCS的情况在表吗2和(5)使用而不是,如表中列出3。这两个和(或和)几乎是一样的。因此,研究结果证实了假设的等效磁当前元素对亚波长成脊状圆形光阑,非常合理非常简单的等效电路表示。此外,类似的数量和(或和)表明,可获得两个孔之间的互导只要self-conductance单个元素和总TCS的两个光阑是已知的,也就是说,没有完全解决案例B, E,即使这两个孔是任意位置。

3.4。二元性之间的耦合脊光阑和多个偶极子天线

从之前的程序获取self-conductance和相互导之间的关系总电导和tcs可以解释道。显然,的总和和案例B是大于的总和和案例C,而案例B的TCS是远低于TCS为案例C .因此,TCS是成反比的总和自我和相互电导,确认的结果表2和3。虽然这已经讨论了当前作者根据定量关系12),需要注意的是,负面的互导增强TCS。至于双重结构,自我和相互抵抗的半波偶极子天线阵列表中列出4。,获得结构的比例也成反比的总和自我和相互电阻(33),获得比得到的函数两个偶极子元素的距离和安排,与目前的结构。更具体地说,收益比最大化(最小化)共同抵抗时最小化(最大化)的中心到中心的距离(),()共线和并排安排,分别与关系非常类似之间的距离满足逆比例tcs和电导的总和,如前所述。当扩展逆比例,()对TCS的影响最小单位,见TCS孔径列在表2相比,的情况或(或)。另外,小的积极(消极的)价值()非常类似于共同抵抗(),见表4在parallel-in-echelon半波偶极子天线。毕竟,通过比较自我和相互电导与自我和相互抵抗列在表中3和4,消极或积极的迹象,他们是完全相同的,和它们之间的数量比例”很相似。因此,尽管两个谐振结构的物理相异,关键物理量有关共振行为与入射电磁波相互作用是由于二元性密切相关,指出在桌子上5。

4所示。结论

各种单个和多个亚波长的谐振功率传输脊圆形光圈安排在一层薄薄的屏幕进行定量调查使用等效电路通过TCS导纳概念。介绍了一个等效磁当前元素有效地调查相互耦合效应。结果,对每一个案例中,TCS的脊光阑是成反比的总和电导。此外,半波偶极子天线的增益比例安排的最大和最小情况下对应于最大和最小tcs对当前结构,分别。因此,这些观察确定耦合之间的二元性亚波长成脊状圆形光阑和电偶极子天线阵列。目前分析的结果可能是有用的和/或合成双亚波长金属结构等应用光学数据存储、高分辨率的近场显微镜,fs。

确认

戈尔的工作。公园和J.-W。歌曲的部分支持由第二阶段大脑韩国21 (BK21)庆北国立大学。戈尔的工作。公园的部分支持由韩国学生援助基金会(KOSAF)授予由韩国政府(最高明的)(没有。s2 - 2009 - 000 - 00793 - 1)。

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