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Nature Communications volume 13、記事番号: 3568 (2022) この記事を引用

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13 オルトメトリック

メトリクスの詳細

放射要素（アンテナ、開口部など）からの電磁放射が、動作周波数に関して要素の幾何学的形状に依存することはよく知られています。この基本原理は、マイクロ波から光学、プラズモニクスに至るまで、さまざまな用途におけるラジエーターの設計に広く普及しています。イプシロンに近いゼロ媒質の出現により、例外的に電磁波の無限波長が可能になり、幾何学に依存しないエキゾチックな空間静的な波力学が明らかになります。この研究では、このような幾何学的形状に依存しない放射の特徴を理論的に分析し、実験的に検証することで、幾何学的形状とは無関係でホスト材料の分散によってのみ決定される動作周波数を備えた新しいクラスの放射共振器、つまりアンテナを提示します。設計されたイプシロンニアゼロアンテナは、さまざまな形状やトポロジに変換されているにもかかわらず、同じ周波数で共振しながら、ビームが広いものから狭いもの、さらには単一から複数まで変化する、非常に異なる遠方界放射パターンを示します。さらに、高効率の放射を促進するためにフォトニックドーピング技術が採用されています。材料によって決定され、形状に依存しない放射は、無線通信、センシング、および波面工学のための柔軟な設計および製造における数多くの用途につながる可能性があります。

電磁場の放射は、何十年にもわたって物理学および工学における基本的なテーマであり、いくつか例を挙げると、ワイヤレス通信 1、リモートセンシング 2、3、ワイヤレス電力伝送 4、5 などのさまざまな分野での重要な応用につながっています。自由空間 (開放空洞など) と結合している共振器は、共振時の閉じ込められた場を外部の放射波に漏らす可能性があります。このようなプロセスは、幾何学的特徴 (つまり、サイズと形状) が周波数特徴を決定する現象です。この依存性は、放射共振器の固有モードの観点から等価的に理解でき、共振周波数は通常、そのサイズと形状によって決まります6。よく知られた例は、マイクロ波やナノ光学で広く採用されているダイポールアンテナ 7、8、9 で、その動作周波数はアームの長さに直接関係しています。もう 1 つのよく知られたケースとして、ファブリペローキャビティ 10、11 は、その長さが媒質内の波長の半分の整数倍である場合にのみ共振してレーザーを生成します。

このような「形状依存性」は放射現象に広く浸透しているため、形状に依存しない動作周波数を持つ放射空洞共振器が存在する場合、質的に異なるクラスの放射器を表すことになります。これにより、動作 (共振) 周波数を変更せずに維持しながら、その形状や放射開口の空間分布を制御することで、共振器の遠距離場放射パターンを調整するための貴重な自由度が導入されます。これは、共振器の電磁モードの空間分布が媒質内の波長 λ によって記述され、その波長が基本的な制約 f λ によって電磁場の発振周波数 f に関連付けられる、波力学における通常の直観に反します。 = c/n ここで、n は共振器を満たす媒体の屈折率です。共振空洞の最小サイズが波長の半分という制限を打ち破るために、研究者らは双曲メタマテリアルに基づく光空洞を提案し、小型化された形状でサイズに依存しない共振を実現しました12。双曲メタマテリアルではサイズが小さく波数が大きいため、キャビティは本来は効率的なラジエーターとして機能しません。したがって、このような形状に依存しないラジエーターを実現することは依然として困難です。

しかし、近年、ニアゼロインデックス（NZI）メディアの分野の発展が目覚ましいものとなっています13,14。どの材料の構成パラメータがゼロに近いかに応じて、NZI 媒体はイプシロンニアゼロ (ENZ)15、ミューニアゼロ (MNZ)16、およびイプシロンアンドミューニアゼロ (EMNZ)17 に分類されます。メディア。 NZI 媒体内の電磁波は、引き伸ばされた波長を特徴とするため、エキゾチックな空間静波力学を示します。つまり、空間と時間を効果的に切り離します。ニュージーランドのメディアは、数多くの異常な波現象や機能を誘発してきました。その中には、任意の形状のチャネルを介したエネルギーの超結合 18、19、20、波面変換 21、22、23、24、25、26、光非線形性の増強 27、28、開いた構造での光の閉じ込め 29、および新しい量子効果などがあります。少し。さらに、ENZ 媒体のフォトニックドーピング技術 30、31、32、33、34、35、36、37 は、NZI 効果を制御するためのさらなる利便性を提供し、オンチップデバイス 36、一般的なインピーダンスマッチング 37 などへの応用につながります。これらのアプリケーションでは、動作周波数は材料の分散、特に幾何学的形状ではなく ENZ 特性が達成される周波数によって決まります。

この研究では、NZI メディアがラジエーターの幾何学的形状に依存せずに電磁放射の共振周波数を追求する機会を開くことを実証します。フィールドの空間変動が抑制された ENZ 媒体 37 に触発されて、変形可能な幾何学的不変 ENZ アンテナを考案しました。実際、有効な ENZ モードとして特定の 0 次共振モードを使用して、1 次元に沿ってサイズ不変の周波数を取得することによって報告されているように、特定の形状に依存しないアンテナを実現する可能性が示されています 38,39。ただし、1 次元に沿ったジオメトリの不変性は長さの不変性に厳密に制限されており、ジオメトリの不変効果を十分に活用するには高次元へのアクセスが必要です。この目的を達成するために、ここでは、特定のモードではなく 2 次元 (2D) ENZ 材料に基づいた、ジオメトリに依存しないアンテナの一般化された概念を提案します。このように、不変の周波数を維持することは、アンテナの幾何学的制限を打ち破るために、特定の有効な ENZ 共振を超えて任意の形状の 2D ENZ 材料に適用される固有の機能です。電磁共振に依存する従来のアンテナ設計の形状によって決定される動作周波数とは異なり、この ENZ アンテナは、形状の変換下でも変化せず、材料の分散構成パラメータのみに依存する安定した動作周波数を示します。この材料によって決定される放射特性は、アンテナのまったく異なる動作メカニズムを発見し、アンテナ設計に新しいアプローチを提供します。一方、放射線の波面および空間パワー分布は、ENZ キャビティの形状と開口部の配置に従って設計できます。高効率の放射を達成するために、ENZ 媒体にフォトニックドーパント 33 を埋め込み、線源から自由空間までのインピーダンス整合を最適化します。 ENZ キャビティアンテナの基礎となるメカニズムを定量的に説明するために、等価回路モデルが確立されています。これらの結果は、最初に理論的および数値的に分析され、次に、導波管の助けを借りて異なる断面形状を持つ 3 つの ENZ アンテナが設計された特定の例を使用して、アンテナの変形性能を実証するための概念実証として実験を開始します。エミュレートされたプラズモニック材料40,41。数値結果と実験結果の両方から、アンテナの動作周波数は、ビームの方向と幅が変化しても、ある場合から別の場合への幾何学的変換のプロセスでは変化しないことが明らかになりました。 ENZ ベースのジオメトリに依存しないアンテナのコンセプトは、周波数を変更せずに空間放射パターンを形成するための新しい手段を提供し、その結果、プログラム可能なビーム生成や、ジオメトリ変換による柔軟な波面エンジニアリングなどのアプリケーションが生まれます。

私たちが提案するアイデアの一般的な概念を図 1a に示します。 ENZ ラジエーターの変形により、波面と放射方向が効率的に調整されながら、放射場の周波数は同じに保たれます。図1aに示すように、放射線は、フォトニックドープされたENZ媒体で満たされた任意の形状のキャビティに基づいています。参考文献に示されているように。図３７に示すように、誘電体含有物を含む閉じたＥＮＺキャビティは、形状不変の共振周波数を有する固有モードをサポートする。我々は現在、この現象が、幾何学的に不変な電磁波の放射体として機能する、開いた境界を持つENZ空洞でも観察できることを実証している。図1aにスケッチしたように、任意の形状に変形された完全電気導体（PEC）壁で部分的に囲まれた、同じ断面積Aを持つ2D ENZ領域を考えます。ENZ媒体は、Drudeモデルによって記述される誘電率εh( f) = 1 − fp2/f 2 であり、断面が円形または正方形の誘電体ロッド含有物がドープされています。参考文献に示されているように。図３３に示されるように、この媒体は、磁場Ｈ０がＥＮＺ領域にわたって均一である、実効透磁率μｅｆｆを有する均質なＥＮＺ媒体と等価である。いくつかの放射開口スロットが PEC 壁にエッチングされ、厚さ h の平行板導波路が ENZ 放射器を励起するために使用されます。 ENZ キャビティの境界に沿ってファラデーの法則を適用すると、次の結果が得られます。

a 形状に依存しないモードをサポートする任意の断面形状を持つ ENZ アンテナのスケッチ。形状が異なるため、アンテナの放射方向はケースごとに変化しますが、周波数は同じに保たれます。 b 提案された構造の等価集中回路モデル。導波管によって給電される ENZ キャビティに基づいています。

完全に PEC で囲まれたキャビティでは、参考文献で説明されています。図３４に示すように、接線方向の電場は境界に沿ったすべての点でゼロであるため、境界に沿った電場の積分は自明にゼロである。ただし、この放射 ENZ キャビティでは、電界循環はポートとすべてのスロットの電界によって寄与され、ゼロにはなりません。これらの 2D 開口上の電界と磁界の関係を説明するために、開口上の磁界で割った開口上の電界 (つまり、電圧) の積分によって 2D 表面インピーダンスを次のように定義します。 ={\int }_{{L}_{n}}{{{{{\boldsymbol{E}}}}}}\cdot d{{{{{\boldsymbol{l}}}}}}/{ H}_{0}={{{{{\rm{V}}}}}}/{H}_{0}\)。ここで、Ln は n 番目の放射開口に沿った値です。この定義の下では、長さ ln の n 番目の放射開口は、磁界分布が Zn = Vn/H0 を満たすインピーダンス境界としてモデル化されます。ここで、Zn は複素数値を持ち、Zn = Rn-iXn と書くことができます。 Zn の数値に関する詳細な説明は補足 1 に記載されています。平行平板導波路の場合、特性インピーダンスも入射電圧 Vinc を入射磁場 Hinc で割ったものによって 2 次元的に定義されます。導波管の厚さが h であるため、導波管の 2D 特性インピーダンスは Z0= hEinc/Hinc となります。反射されたものについても同様の式が成り立ち、Z0 = hEr/Hr になります。入射波と反射波の両方を考慮すると、ポート上のフィールドは H0= Hinc − Hr および E= Einc + Er となります。これらの式を式に適用すると、 (2) より、次のことが導かれます。

式(2)は、図1(b)に示すように、2D ENZキャビティを直列集中回路としてモデル化することにより、キルヒホッフの電圧則として説明することもできます。この集中ループでは、電流は表面電流密度によって特徴付けられ、数値的には表面上の磁場に等しくなります。結果として、以前に定義した 2D 表面インピーダンスは、表面電流密度に対する電圧の比にも等しくなります。これは、ここでは図 1(a) の構造の 2D インピーダンスとして定義されます (面外に無限に広がります)。軸）。次の部分では、すべての用語「電流」および「インピーダンス」(抵抗、リアクタンス、インダクタンス、およびキャパシタンスを含む) は、上で定義した表面電流密度および 2D インピーダンスを指します。この定義では、ループ電流とインピーダンスの単位はそれぞれ A/m と Ωˑm であることに注意してください。さらに、各開口は、回路内の 2D インピーダンス Zn = Rn-iXn を持つ放射負荷としてモデル化されます。給電導波管は、もう一方の端子にソースを備えた伝送線路で表され、2D 特性インピーダンスは Z0 です。参考文献で報告されているように。図３６では、閉じた境界を有するドープされたＥＮＺ媒体が、その実効透磁率に応じて直列インダクタまたはコンデンサとしてモデル化される。 ENZ ホストの寄与は、2D リアクタンスを持つループへのランプ要素と同等です。

μeff > 0 の場合、ドープされた ENZ 媒体は 2D インダクタンス L = XENZ/ω = μeff A を持つインダクタとして動作します。ここで、2D インダクタンス L の単位は H·m です。 μeff < 0 の間、ENZ ホストはインダクタではなくコンデンサのように動作します。

開口間の相互結合が無視できるほど小さい場合、それは式 (1) から導出されます。 (2) および (3) により、ENZ キャビティを覗いている給電導波路で見られる反射係数は次のように計算されます。

この重要なパラメータは、ソースに反射して戻るパワーの量を表し、自由空間に放射するパワーの量に関連するため、この周波数での放射効率を表します。重要な問題は、アンテナのインピーダンス整合です。これにより、衝突電力が反射されるのではなく、完全に自由空間に放射されます。入力ポートでの反射係数 R を最小化するには、ENZ ホストの面積と実効透磁率が \({\sum }_{n}\left(-i{X}_{n}\right) を満たす必要があります。 -i\omega {\mu }_{{{{{{\rm{eff}}}}}}A=0\) (つまり、アンテナのリアクタンスがゼロ) および導波管の 2D 特性インピーダンスは次のようになります。 \({Z}_{0}={\sum }_{n}{R}_{n}\) になります (つまり、インピーダンスの実部が一致する必要があります)。実際、μeff = 1 のアンドープ ENZ 媒体では大きなインダクタンスが導入され、入力電力が効率的に放射されなくなります。この問題を解決するために、参考文献で報告されているように、フォトニックドーピング法が使用されます。ここで、ENZ 媒体全体の比透磁率 μeff は、ENZ ホストの総面積とともに、誘電体ドーパントの形状と誘電率に依存します。したがって、ドーパントの材料とサイズを慎重に調整することで、選択した周波数で ENZ ラジエーターに注入されるパワーを最大化することができ、放射波は観測できるほど強力になります。

式によって示されるさらに重要な特性。 (4) は、反射係数がアンテナの幾何学的形状の影響を受けないことを示しており、アンテナの変形がインピーダンス整合や共振周波数を乱さないことを示しています。式によると、 (4)、アンテナの共振周波数は \({\omega }_{0}=-({\sum }_{n}{X}_{n})/({\mu }_{{ {{{{\rm{eff}}}}}}}A)\)。上記のインピーダンス整合方法により、正確に ω0 = ωp になるように調整でき、ENZ ホストのプラズマ周波数で共振が励起され、入力電力のほとんどが自由空間に放射されます。上の方程式に示されているように、共振周波数は材料の構成パラメータと開口部の放射インピーダンスにのみ関係し、開口部の特定の形状と位置は影響を与えません。言い換えれば、アンテナは、ホスト材料の ωp に固定された不変の動作周波数を維持しながら、任意の形状に変形できます。このユニークな特性は、形状によって動作周波数が影響を受ける従来のアンテナ設計にはほとんど存在しません。この形状の独立性は、ENZ 媒体に基づくアンテナの形状の柔軟性という直観に反する新しい特性を引き起こします。通常、従来のアンテナは決まった形状をしており、一度設計すると簡単には変更できません。ただし、この幾何学的形状に依存しない ENZ アンテナは、総断面積が変わらない限り、任意の形状に変形できます。この変形により、以前の研究 20 によれば、波面が放射 ENZ 媒質の境界と共形であるという事実によって示される、アンテナの制御可能な遠距離場放射パターンが可能になります。ホイヘンスの原理 42 によれば、放射場の空間分布、特に角度分布は波面の形状によって決まります。その結果、ENZ ラジエーターの形状を変更するだけで、同じ時間高調波信号の電磁エネルギー束のまったく異なる角度分布を実現できます。

上で説明した理論モデルを検証するために、COMSOL Multiphysics® 5.5 を使用して 2D ドープ ENZ アンテナのシミュレーションが開始されます。アンテナの変形性能を検証するために、例として 3 つの特定の形状を取り上げます。最初の例として、Drude モデルで記述される誘電率、つまり εh(f) = 1 − fp2/f 2 (fp = 5.767 GHz) を持つ長方形の ENZ ホストを考えます。このアンテナは、0.227 × 0.227 λp2 のサイズの誘電体不純物がドープされた 1.77 λp2 (λp は fp における自由空間波長) の同じ総面積を持つ 3 つの異なる形状に変換されます。 1 番目と 3 番目のケースでは、長方形に成形されますが、2 番目のケースでは、変形によって台形の形状が得られます。ドーパントの比誘電率は 9.9 です。この場合、参考文献によれば、ENZ 媒体の実効比透磁率は 0.045 です。 36. 各 ENZ 媒体の境界上に、4 つの 3 mm 幅のスロットがエッチングされ、境界に沿って片側または両側に配置されます。給電には、厚さ h = 0.23 λp (12 mm) の空気充填平行平板導波路が使用されます。シミュレーションされた磁場分布と反射係数が図 2 に示されており、ENZ ホストと放射スロットの変形がインピーダンス整合に影響を及ぼさないことが観察できます。図 2a ～図 2c には、磁場の大きさが示されています。 ENZ 媒体内では変化のない均一な分布が見られますが、自由空間では ENZ ホストの形状や開口部の位置が異なると、異なる空間分布が観察されます。ドーパント内の磁場は、磁場分布が x 方向と y 方向の両方に沿って正弦波であるため、TEz11 モードとして記述されます。図2hに示すように、これら3つの場合の反射係数は、0.999fpから1.001fpの周波数範囲内で示されています。以下の式 (4) および上記の議論より、共振周波数は変形によって反射係数が変化しない fp に固定されます。さらに、放射パワーの角度分布が図2e〜gに示されており、それぞれ角度に関する平均に正規化されています。変化した放射波面と変化しない内部波形を合わせると、このアンテナの周波数応答が形状ではなく材料の特性によって決定されることが確認されます。

a – c ケース 1 ～ 3 の磁場のシミュレーション結果のスナップショット。ケース 1 ～ 3 の長方形 ENZ ホストのサイズは、1.54(1.15 λ02 (80(60 mm2)) と 2.31(0.77 λ02 (120 × 40 mm2) です。ケース 2 では、4 辺が 2.62 λ0(136) の台形になります。 mm)、1.15 λ0 (60 mm)、1.23 λ0 (64 mm)、および 1.15 λ0 (60 mm) が使用されます。スロット、導波路、ドーパントはすべての構成で同じです。 d 磁場の時間スナップショットe – g さまざまな形状のアンテナの遠方界放射利得パターンのシミュレーション結果、および (h) 3 つのケースの反射係数。

ホスト媒体の誘電率がゼロであるプラズマ周波数 fp で動作しているときに、形状に依存しないすべての結果が得られることは言及する価値があります。実際には、有限の品質 (Q) 係数により、インピーダンスの整合は、インピーダンス帯域幅として示される fp 付近の周波数範囲で実現されます。低 Q ENZ アンテナの帯域幅と形状不変特性を強化する方法を調査するために、分析的手法と数値的手法の両方に基づく Q 値のパラメトリック研究が開始されました (補足資料内の補足注 2 と補足図 2 を参照) ）。より広いインピーダンス帯域幅を達成できても、式(1)が成り立つため、形状不変性能はプラズマ周波数 ωp でのみ達成されると結論付けることができます。 (4) は ω ≠ ωp の周波数には成り立ちません。したがって、幾何形状の変形により、ω=ωp 以外の周波数でのインピーダンス整合が悪化する可能性があります。言い換えれば、帯域幅は特定のジオメトリ形状の影響を受ける可能性があります。

この形状に依存しない特性をさらに検証するために、特定の形状およびスロット分布に変形された ENZ アンテナのインピーダンスと放射性能を実験的にテストします。参考文献に示されているように。図４０に示されるように、ＴＥ１０モードで動作する方形導波路は、無損失ドルーデモデルによって記述される誘電率分散を有する媒体として効果的に動作する。特に、導波管は、カットオフ周波数で動作しているときは ENZ 媒体と等価です。この概念に基づいて、アンテナの変形耐性性能を調べる一連の実験を実施しました。便宜上、柔軟な構造は使用しませんでしたが、代わりに代表的な実験プラットフォームとして 3 つの異なる 3 次元 (3D) 構造を設計および製造しました。アンテナ 1、2、および 3 (Ant. 1 ～ 3) として示されます。各実験プラットフォームは、ENZ媒体をエミュレートする半波長の高さのスロット付き金属キャビティ、ドーパントとしての誘電体ブロック、および給電導波路としての銅被覆テフロンレンガで構成されています。各アンテナの幾何学的構成について詳しく説明します (補足図 4 および補足注 3 を参照)。そこから、各共振器の断面積は 3200 mm2、体積は 83,200 mm3 であると計算できます。製造されたプロトタイプは次のとおりです。図 3 の左の列 (図 3a、d、g)。これらのパネルは、写真で内部構造を分かりやすく見せるため、金属カバーは組み立てられていませんが、実験中に組み立てられます。境界にエッチングされたスロットには、白いフレームを使用してラベルが付けられます。

a 金属カバーがまだ取り付けられていないアンテナ 1 の写真。 b Ant のシミュレーションおよび測定された反射係数。 1. c アントの放射場の角度分布のシミュレーションと測定。１は電場に平行なＥ面内である。 d 金属カバーがまだ取り付けられていないアンテナ 2 の写真。 e Ant のシミュレーションおよび測定された反射係数。 2. f アントの放射場の角度分布のシミュレーションと測定。２は、電場に平行なＥ面内での図である。 g 金属カバーがまだ取り付けられていないアンテナ 3 の写真。 h Ant のシミュレーションおよび測定された反射係数。 3. i Ant の放射場の角度分布のシミュレーションと測定。図３は、電場に平行なＥ面内での図である。

これらすべてのプロトタイプの反射係数は、ベクトルネットワークアナライザーを使用して測定され、全波電磁シミュレーター CST Microwave Studio 2016 によって得られたシミュレーション結果と比較されます。これら 3 つのプロトタイプの結果は、図 3 の 2 番目の列に示されており、番号が付けられています。図3b、e、hのとおり。形状の違いにもかかわらず、Ant の共振周波数と反射係数は異なります。図１から３はすべて同じに保たれており、時間的挙動、すなわちラジエータの動作周波数がENZ媒体の特定の形状に依存しないことを示している。共振周波数の小さな周波数シフトが観察され、分数周波数シフトは約 0.04% であり、これは比較的小さい値です。これらのシフトは主に、スロット上のモード不整合によって生成される TE30 モードや TE50 モードなどの高次モードによるものであり、ENZ 媒体としての構造の説明には含まれていません。 Antのシミュレーション結果の比較。図 1 から 3 までが示されており、共振周波数がほぼ同じであることが示されています (補足図 5 および補足注記 4 を参照)。これら 3 つのケースは、私たちが実験を行った例にすぎないことを強調しておく必要があります。実際、アンテナは、共振周波数を変えずに、あらゆる形状に再形成することができます。放射の空間分布も、標準的なマイクロ波電波暗室で放射電力の角度分布を測定することによって実験的にテストされます。図 3 の 3 番目の列には、Ant のシミュレーションおよび測定されたゲインが示されています。１から３までが描かれています。 Ant.1から3のゲインのシミュレーション結果の比較を補足図に示します。補足資料の 5d ～ f。 ENZ 媒体内の磁場の均一な大きさと位相分布の結果として、これら 3 つのケースでは、主ビームは ENZ ホストの放射開口に対して垂直になります。これをさらに検証するために、構造全体に分布する磁場の大きさのシミュレーション結果が表示され、比較されます（補足資料の補足図5a〜cを参照）。これらの結果はすべて、理論的および数値的分析を裏付けています。

この形状に依存しないプラットフォームは、新しいエンジニアリングアプリケーションにインスピレーションを与える可能性があります。前のセクションで説明したように、放射開口部の位置は放射場の周波数に影響を与えません。ただし、開口が境界に沿って移動すると、波面の形状が変更され、放射場の角度分布が変化します。 N 個の同一の放射アパーチャを備え、n 個のアパーチャが開いており、他のアパーチャが閉じている ENZ キャビティを考えてみましょう。各開口パターンはバイナリコードに対応しており、「0」は開口が閉じていることを表し、「1」は開口が開いていることを表します。各開口の開閉を制御することにより、放射電力の角度分布をエンコードでき、すべての状態が同じ周波数を共有します。このようなビームエンコーダのスケッチを図４に示す。図４ａでは、誘電体ロッドがドープされた正方形のＥＮＺキャビティが示されており、境界上に９つのスロットがエッチングされている。各スロットは、「オン」または「オフ」状態に切り替えられ、開口アパーチャまたは導電境界として機能します（補足図6および補足注5を参照）。この場合、各放射線は、ｎ番目のビットが「１」、すなわちｎ番目のスロットが「ＯＮ」である９ビットの状態に対応する。 3 つの典型的な状態について説明し、シミュレーションします。状態「111000000」では、1 番目、2 番目、および 3 番目のスロットが「ON」に切り替えられ、放射線が +x 方向に向けられます。 2 番目のスロットでは、4 番目、5 番目、および 6 番目のスロットが「オン」に切り替えられ、そのような放射が「00011100」にエンコードされます。比較として、すべてのスロットが「ON」に切り替えられている状態も考慮し、この状態を「111111111」にエンコードします。図4b〜dに示す磁場スナップショットのシミュレーション結果は、ENZホスト内の磁場分布が同じままである一方で、どのスロットを「オン」に切り替えるかを選択することによって放射パターンが調整されることを示しています。 0.08%の端数周波数シフトを伴う図4eの変化のない反射と、図4f〜hに示す単一の放射ビームから複数の放射ビームへの誘導は、アンテナが所定の条件で3つの異なる方法でビームを生成できることも示しています。波面と放射方向は柔軟に変化します。比較的大きな周波数シフトは、9 つのスロットがオンになった場合の放射リアクタンスが 3 つのスロットがオンになった場合よりも大きくなるためです。より複雑なケースについては、調査し、補足資料で提示しています (補足図 7 および補足注記 5 を参照)。

a コード化された放射ビーム機能を備えたフレキシブル ENZ アンテナの構造のスケッチ。状態 1 は、スロット 1、2、3 が「ON」になると形成され、コード「111000000」に対応します。状態 2 と状態 3 は、それぞれコード「000111000」と「111111111」に対応します。 b – d 状態 1 ～ 3 の中心面における磁場の大きさのカラーマップ。 e 反射係数のシミュレーション結果。 f–h xy 平面内の放射パワーの正規化された角度分布。

別の用途は、多機能アンテナの設計です。たとえば、放射方向を指向性ビームから近接場集束に変更します。これら 2 つの極端なケースでは、放射線の波面は 2 つの完全に異なる方法をとります。指向性放射線を生成するには、ニアフィールドの振幅と位相がどの点でも同じであり、パワーが均等に分散されるように、平面波面が必要です。対照的に、集中シナリオでは電力が 1 点に集中します。したがって、両方の機能を備えた 1 つのアンテナを設計することは通常困難です。上で説明した形状不変の特性により、開口部を曲げることによって波面を平面から曲面に整形することが可能になり、動作周波数を乱すことなく高利得ビームをニアフィールド集束に変更します。 3D 幾何学的設計は図 5 の最初の 2 つのパネルに示されており、長方形のキャビティと拡張された開口を含む T 字型の ENZ 媒体を使用しています。開口部には 7 つのスロットが等間隔で配置されており、さまざまな形状に曲げることができると考えられます。詳細な形状については、補足図を参照してください。図 5a と 5b は、開口部が真っ直ぐで曲がっており、指向性ビームを放射するか近接場で集束する 2 つの極端な状態を示しています。これら 2 つの場合のニアフィールドとファーフィールドの性能のシミュレーションを図 5c、d、f にプロットします。さらに、図5eに示すように、この曲げの下では動作周波数は0.03％の端数周波数シフトでほぼ同じままですが、これは幾何学的に不変の放射モードの理論に従っています。絞りが非対称に変形する場合の状況については、補足図を参照してください。 10および補足6。

a 直線的な放射開口部を備えた 3D 構造。 b 曲がった放射開口部を備えた 3D 構造。 c、d これら 2 つのアンテナの中心面における磁場の大きさの時間スナップショット。 e 反射係数のシミュレーション結果。 f xy 平面内の角度分布。

要約すると、ENZ 媒質で構成されるアンテナの動作周波数は、その幾何学的形状ではなく媒質の分散によって決定されることを理論的および実験的に実証しました。さまざまなアンテナの幾何学的形状に対して、ENZ 媒体内の磁場は ENZ 周波数で均一に保たれ、その結果、ENZ 媒体の形状のそのような変化は、放射される波面と角度分布にのみ影響を与えることが実証されています。動作周波数と入力インピーダンスは ENZ 周波数で変化しません。フォトニックドーパントを使用してENZ媒体の実効透磁率を注意深く調整することにより、ソースから自由空間までの完全なインピーダンス整合が実現されます。この強化された放射効率を利用して、さまざまなサイズと形状のいくつかのプロトタイプで、数値的手法と実験的手法の両方を介して、さまざまな形状に依存しないアンテナを検証しました。このような現象は、コード化ビーム走査スキームや、幾何学的変形による近距離/遠距離場波面操作など、さまざまな興味深い応用を引き起こす可能性があります。

本文および補足資料の数値シミュレーションは、2 つの異なるシミュレーションソフトウェアを使用して実行されます。 2D シミュレーション結果は、COMSOL Multiphysics® 5.5 を使用して取得されます。 1 W の出力で TEM 波を入射するために長方形のポートが使用されています。自由空間は 200 × 200 mm2 の長方形で切り取られ、その境界は材料が空気として選択されるインピーダンス境界として設定されます。放射電力の角度分布の計算には、長方形の代わりに半径 95 mm の円が使用されます。メッシュ要素の最大サイズは 6.434 mm、最小サイズは 0.06 mm です。 3D 構造のシミュレーションは CST Microwave Studio 2016 を使用して実行されました。周波数領域ソルバーは四面体メッシュで採用されています。 SMA コネクタが配置されている位置での励起には、50 オームのディスクリートポートが使用されます。モデルで使用されるアルミニウムと銅は完全電気導体 (PEC) とみなされ、オーム損失は無視されます。特に、ENZ キャビティのアルミニウムシェルは PEC 材料に設定され、導波路を覆う銅はテフロンレンガに PEC 境界を適用することによってシミュレートされます。エアボックスは、シミュレートされた構造まで 5.8 GHz で 4 分の 1 波長 (12.9 mm) の距離で使用され、放射境界が表面に適用されます。放射境界の反射率は 1e-4 よりも低くなります。

この研究結果を裏付けるすべてのデータとシミュレーションファイルは、どちらも Dropbox リポジトリ (https://www.dropbox.com/sh/6nt7mah9vox6go3/AACp1gEBkenxZrd-n7Oca7_La?dl=0) で入手できます。

Rappaport、TS et al. 第 5 世代 (5G) ワイヤレスネットワークのミリ波通信の概要 - 伝播モデルに焦点を当てます。 IEEEトランス。アンテナの伝播。 65、6213–6230 (2017)。

記事 ADS Google Scholar

Kostinski, AB & Boerner, WM レーダー偏光測定の基礎について。 IEEEトランス。アンテナの伝播。 34、1395–1404 (1986)。

記事 ADS Google Scholar

Cloude, SR & Pottier, E. レーダー偏光測定におけるターゲット分解定理のレビュー。 IEEEトランス。地理学。 Remote Sens. 34、498–518 (1996)。

記事 ADS Google Scholar

Poon、ASY、O'Driscoll、S. & Meng、TH 分散組織へのワイヤレス電力伝送に最適な周波数。 IEEEトランス。アンテナの伝播。 58、1739–1750 (2010)。

記事 ADS Google Scholar

Liu, C.、Guo, Y.、Sun, H.、Xiao, S. 遠方界ワイヤレス電力伝送用の埋め込み型レクテナの設計と安全性に関する考慮事項。 IEEEトランス。アンテナの伝播。 62、5798–5806 (2014)。

記事 ADS MathSciNet Google Scholar

ポザール、DM、マイクロ波工学、第 3 版ニューヨーク: ワイリー (2005)。

Chu、LJ 全方向性アンテナの物理的制限。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 19、1163–1175 (1948)。

記事 ADS Google Scholar

ナン、T.ら。音響的に作動する超小型 NEMS 磁電アンテナ。ナット。共通。 8、296 (2017)。

記事 ADS Google Scholar

タン、L.ら。近赤外線ダイポールアンテナによって強化されたナノメートルスケールのゲルマニウム光検出器。ナット。フォトニクス 2、226–229 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Zhu、W.ら。金属トレンチファブリペロー共振器に基づく表面プラズモンポラリトンレーザー。科学。上級 3、e1700909 (2017)。

記事 ADS Google Scholar

Sorger, V.、Oulton, R.、Yao, J.、Bartal, G. & Zhang, X. プラズモニックファブリペローナノキャビティ。ナノレット。 9、3489–3493 (2009)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ヤオ、J.ら。不定媒質の三次元ナノメートルスケール光空洞。 PNAS 108、11327–11331 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Engheta, N. ほぼゼロの応答を追求します。サイエンス 340、286–287 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リベラル、I. & エンゲタ、N. ゼロに近い屈折率フォトニクス。ナット。 Photon 11、149–158 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

マース、R.ら。可視波長におけるイプシロンニアゼロメタマテリアルの実験的実現。ナット。フォトニクス 7、907–912 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Chaimool、S.、Rakluea、C.、Akkaraekthalin、P. マイクロストリップ給電スロットアンテナ用のミューニアゼロメタサーフェス。応用物理学。 A 112、669–675 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Mahmoud、A. & Engheta、N. イプシロンおよびミューのゼロに近い構造における波動と物質の相互作用。ナット。共通。改訂 5、5638 (2014)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Silveirinha, M. & Engheta, N. イプシロンニアゼロ材料を使用したサブ波長チャネルとベンドを通る電磁エネルギーのトンネリング。物理学。レット牧師。 97、157403 (2006)。

記事 ADS Google Scholar

Edwards, B.、Alù, A.、Young, ME、Silveirinha, MG & Engheta, N. マイクロ波導波管を使用したイプシロンニアゼロメタマテリアル結合とエネルギー絞り込みの実験的検証。物理学。レット牧師。 100、033903 (2008)。

記事 ADS Google Scholar

リュー、R.ら。マイクロ波周波数でのイプシロンニアゼロメタマテリアルを通る電磁トンネルの実験的デモンストレーション。物理学。レット牧師。 100、023903 (2008)。

記事 ADS Google Scholar

Alù, A.、Silveirinha, MG、Salandrino, A. & Engheta, N. イプシロンニアゼロメタマテリアルと電磁波源: 放射位相パターンの調整。物理学。 Rev. B 75、155410 (2007)。

記事 ADS Google Scholar

Zhou、B. & Cui、TJ コンパクト異方性ゼロインデックスメタマテリアルを使用した Vivaldi アンテナの指向性強化。 IEEE アンテナワイヤ。宣伝。レット。 10、326–329 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

Enoch, S.、Tayeb, G.、Sabouroux, P.、Guérin, N.、Vincent, P. 指向性放射用のメタマテリアル。物理学。レット牧師。 89、213902 (2002)。

記事 ADS Google Scholar

Jiang, ZH、Wu, Q.、Brocker, DE、Sieber, PE & Werner, DH 極薄の異方性ゼロインデックスメタマテリアルによって実現された、薄型高利得基板一体型導波管スロットアンテナ。コート、IEEE Trans。アンテナの伝播。 62、1173–1184 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

Forati, E.、Hanson, GW、Sievenpiper, DF イプシロンのほぼゼロの全内部反射メタマテリアルアンテナ。 IEEEトランス。アンテナの伝播。 63、1909–1916 (2015)。

記事 ADS MathSciNet Google Scholar

スコウスキー、H.ら。位相不一致 - 光学ゼロインデックス材料における自由な非線形伝播。サイエンス 342、1223–1226 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

パウエル、DA et al. イプシロンに近いゼロチャネルを介したトンネリングの非線形制御。物理学。 Rev. B 79、245135 (2009)。

記事 ADS Google Scholar

Argyropoulos, C.、D'Aguanno, G. & Alù, A. ダブル ε ニアゼロクロススリットメタマテリアルによる巨大な第 2 高調波生成効率と理想的な位相整合。物理学。 Rev. B 89、235401 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

Silveirinha、MG オープンプラズモニックナノ構造に光を閉じ込める。物理学。 Rev. A 89、023813 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

Alù、A. & Engheta、N. ナノスケールのすべての光学メタマテリアル回路基板。物理学。レット牧師。 103、143902 (2009)。

記事 ADS Google Scholar

リベラル、I.、マフムード、AM、リー、Y.、エドワーズ、B. & エンヘタ、N. イプシロンがゼロに近い媒体のフォトニックドーピング。サイエンス 355、1058 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Silveirinha, M. & Engheta, N. イプシロンに近いゼロ媒体内の非磁性介在物を使用した、整合したゼロインデックスメタマテリアルの設計。物理学。 Rev. B. 75、075119 (2007)。

記事 ADS Google Scholar

Nguyen, V.、Chen, L. & Halterman, K. 欠陥のあるゼロインデックスメタマテリアルによる全透過と全反射。物理学。レット牧師。 105、233908 (2010)。

記事 ADS Google Scholar

Xu, Y. & Chen, H. 欠陥のあるイプシロンに近いゼロのメタマテリアルによる全反射と透過。応用物理学。レット。 98、113501 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

リベラル、I.、マフムード、AM、エンゲタ、N. 幾何学不変共鳴空洞。ナット。共通。 7、10989 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhou、Z.ら。ほぼゼロの屈折率デバイス向けの基板一体型フォトニックドーピング。ナット。共通。 10、4132 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

Zhou、Z.ら。ドープされたε-near-zero媒体による一般的なインピーダンスマッチング。物理学。 Rev.Appl. 13、034005 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhou、Z. & Li、Y. 横カットオフモードに基づく効果的なイプシロンニアゼロ (ENZ) アンテナ。 IEEEトランス。アンテナの伝播。 67、2289–2297 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

Zhou, Z. & Li, Y. An ENZ-Inspired Antenna with Controlable Double-Difference Radiation Pattern、アンテナと伝播に関する国際シンポジウム、西安、中国。 1–3 (2019)。

Li, Y.、Liberal, I.、Giovanpaola, CD & Engheta, N. 導波路メタトロニクス: 構造的分散に基づく集中回路。科学。上級 2、e1501790 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

Edwards, B. & Engheta, N. メタマテリアルにインスピレーションを得た光回路における変位電流導管の実験的検証。物理学。レット牧師。 108、193902 (2012)。

記事 ADS Google Scholar

Qin, Y.、Zhang, C.、Zhu, Y.、Hu, X. & Zhao, G. ドメイン工学構造における非線形光学相互作用のためのホイヘンス・フレネル原理による波面工学。物理学。レット牧師。 100、063902 (2008)。

記事 ADS Google Scholar

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YL は、助成金 62022045 に基づく中国国家自然科学財団 (NSFC) からの部分的支援と、一部は清華大学イニシアチブ科学研究プログラムによる支援に感謝します。 ILは、Ramón y CajalフェローシップRYC2018-024123-I、MCIU/AEI/FEDER/UEが後援するプロジェクトRTI2018-093714-301J-I00、およびERC Starting Grant 948504からの支援に感謝します。

Hao Li、Ziheng Zhou の著者も同様に貢献しました。

電子工学部、北京国立情報科学技術研究センター、清華大学、北京、100084、中国

Hao Li、Ziheng Zhou、Yijing He、Wangyu Sun、Yue Li

ナバラ公立大学電気電子工学科、パンプローナ、31006、スペイン

イニゴ・リベラル

ペンシルベニア大学電気システム工学部、ペンシルバニア州フィラデルフィア、19104、米国

ナデル・エンゲタ

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YL と NE がこのアイデアを思いつきました。 YL は、IL および NE と協議しながらプロジェクトを監督しました。 HL と ZZ は、解析的導出、全波シミュレーション、および実験的検証を実行しました。 IL は結果の分析と原稿の改良を支援しました。 YH と WS は、テストされたプロトタイプの組み立てと実験セットアップの構築を支援しました。著者全員が理論的および数値的側面について議論し、結果を解釈し、原稿の準備と執筆に貢献しました。

Yue Li、リベラル兄弟、または Nader Engheta への通信。

NE は、Meta Materials, Inc. の戦略的科学アドバイザー/コンサルタントです。著者らは、他の競合する利益を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Lyuba Kuznetsova と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Li、H.、Zhou、Z.、He、Y. 他。イプシロンニアゼロ媒質に基づく、ジオメトリに依存しないアンテナ。 Nat Commun 13、3568 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-31013-z

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受信日: 2021 年 6 月 29 日

受理日: 2022 年 5 月 26 日

公開日: 2022 年 6 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31013-z

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