[論文レビュー] 'Growing Evanescent Envelopes and Anomalous Tunneling' in Cascaded Sets of Frequency-Selective Surfaces in Their Stop Bands

Andrea Alù, Nader Engheta|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2004

Advanced Antenna and Metasurface TechnologiesEngineering参考文献 3被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、停止帯域内で動作する段階的周波数選択的表面（FSS）の異常なトンネル効果および増幅する消去波エナメルのメカニズムを提案する。伝送線路モデルを用いて、周期性と幾何形状を設計することで、左利きメタマテリアルに類似した界面共振を誘発できることを示し、バンドギャップ動作下でも完全な波のトンネル効果を実現可能であることを明らかにする。

ABSTRACT

The presence of wave tunneling and the 'growing evanescent envelope' for field distributions in suitably designed, periodically layered stacks of frequency selective surfaces (FSS) is discussed in this paper. Here it is shown that a setup completely different completely different from the Pendry's lens allows an analogous buildup of evanescently modulated waves. In particular, it is shown how an interface resonance phenomenon similar to the one present at the interface between metamaterials with oppositely signed constitutive parameters may be induced by a proper choice of the periodicities of the FSS stacks and the geometrical properties of these surfaces. The analysis is performed through an equivalent transmission-line approach, and some physical insights into this phenomenon are presented. Salient features, such as the complete wave tunneling through the pair of cascaded FSS, each operating at its bandgap, are presented and discussed.

研究の動機と目的

• 停止帯域で動作する段階的周波数選択的表面（FSS）を通過する波のトンネル効果を調査すること。
• 周期的FSSスタック内での増幅する消去波エナメルの出現を調査すること。
• ペンディーのレンズや左利き材料に依存せずに、異常なトンネル効果が発生する条件を同定すること。
• 周期的設計と幾何形状を有するFSSスタック内の波挙動を分析するための伝送線路モデルを確立すること。
• 界面共振をFSSシステムに誘発でき、逆符号の物性パラメータを持つメタマテリアルで観察される現象を模倣できることを示すこと。

提案手法

• 周期的FSSスタックを表現し、波の伝播を分析するための等価伝送線路モデルを採用すること。
• FSS層の周期性および幾何パラメータを設計し、界面で共鳴状態を誘発すること。
• 停止帯域における分散特性および電場分布を分析し、消去波の増幅とトンネル効果を同定すること。
• 伝送線路アプローチを用いて、系の等価インピーダンスおよび伝播定数を導出すること。
• FSSスタックの挙動を、逆符号の物性パラメータを持つ左利き材料と比較すること。
• 数値解析および電場分布プロットを通じて理論的考察を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各層が停止帯域にある段階的FSS構造でも、波のトンネル効果が発生するか？
• RQ2 周期的FSSスタック内で消去波が振幅を増幅する条件は何か？
• RQ3 FSSシステムにどのように界面共振を設計し、メタマテリアルに類似した挙動を再現できるか？
• RQ4 周期性および幾何設計が、停止帯域媒体における異常なトンネル効果を実現する上で果たす役割は何か？
• RQ5 伝送線路モデルは、このようなFSS構成内の波挙動をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 各FSSが停止帯域で動作する2段の段階的FSSにより、共鳴界面結合のおかげで完全な波のトンネル効果が達成される。
• 通常のバンドギャップ材料とは異なり、FSSスタック内では消去波エナメルが指数関数的に増幅する。
• 逆符号の物性パラメータを持つ材料の挙動を模倣するように設計された界面共振が、この現象の原因である。
• 伝送線路モデルは、増幅する消去モードおよび異常なトンネル効果の出現を正確に予測できた。
• 系は、共鳴トンネル効果を達成するため、周期性および幾何パラメータに強く依存している。
• 場の分布解析による検証結果は、周期的構造における等価媒質の挙動に関する理論枠組みと整合的である。