[论文解读] Material Made of Artificial Molecules and Its Refraction Behavior under Microwave

Tao Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2014

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种由笼状导体颗粒（CGC）构成的新型人工材料，以增强微波折射，最大限度减少衍射效应。通过制备CGC棱镜并对比聚苯乙烯和实心导体棱镜测量折射率，研究结果表明，CGC材料表现出强烈的折射能力，显著减少衍射引起的光束偏移，从而提升微波成像分辨率。

ABSTRACT

Focal-plane imaging with microwave and millimeter wave has many potential applications. The bad resolution is a main shortcoming of this technique at present. In this paper, influence of frequency of electromagnetic wave on the refractive energy is analyzed. According to the refractive mechanism of electromagnetic induction, the principle for designing artificial materials with enough refractive ability is proposed. The material of artificial molecules is fabricated with cage-shaped granules of conductor (CGC). The refractive index of CGC material to microwave was measured by assembling CGC prism with PS (polystyrene) prism or SGC (solid granule of conductor) prism. The assemblies greatly eliminate displacement of the outgoing microwave caused by diffraction. This is a key point to achieve direct measurement of the refractive index under the microwave. CGC material shows a considerable refractive ability. SGC material and PS show little refractive ability. The results are useful in promoting image technique of microwave and millimeter-wave by improving the refractive ability and eliminating detriment of the diffraction on the lenses.

研究动机与目标

• 为解决微波和毫米波焦平面成像中分辨率低的问题，通过改进人工材料的折射特性。
• 设计并制备一种在微波频率下具备增强折射能力的人工材料。
• 最小化在折射测量过程中导致微波光束路径畸变的衍射效应。
• 通过实验测量并验证CGC材料在微波激励下的折射率。
• 对比CGC、聚苯乙烯和实心导体颗粒的折射性能，以分离材料结构的影响。

提出的方法

• 设计并制备笼状导体颗粒（CGC）作为人工分子，以调控微波传播。
• 将CGC棱镜与聚苯乙烯（PS）和实心导体颗粒（SGC）棱镜组合，实现折射率的直接测量。
• 利用微波透射实验测量光束偏转并计算折射率。
• 对比CGC、PS和SGC材料的折射行为，以分离结构对折射的影响。
• 采用基于棱镜的实验装置，以在测量过程中最小化衍射引起的光束偏移。
• 分析电磁感应机制，以指导具备高折射响应材料的设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于笼状导体颗粒的人工分子的结构设计如何影响微波折射？
• RQ2 与聚苯乙烯和实心导体等传统材料相比，CGC材料在多大程度上可减少衍射效应？
• RQ3 在微波频率下，CGC材料的可测量折射率是多少？
• RQ4 CGC材料的折射行为与PS和SGC材料相比，其定量差异如何？
• RQ5 能否通过棱镜组件在微波条件下直接测量人工材料的折射率？

主要发现

• CGC材料表现出显著的折射能力，其在微波折射中的表现明显优于PS和SGC材料。
• 将CGC棱镜与PS或SGC棱镜组合使用，有效最小化了由衍射引起的光束偏移，从而实现了折射率的直接测量。
• 在相同实验条件下，聚苯乙烯（PS）和实心导体颗粒（SGC）材料表现出几乎无折射能力。
• 实验装置通过棱镜组合有效减小了衍射效应，成功实现了折射率的直接测量。
• 基于电磁感应的折射机制通过CGC材料观测到的折射行为得到验证。
• 结果证实，通过结构化人工分子设计的人工材料可被工程化以实现增强的微波折射，支持更先进的成像技术。