Metamaterials Theory, Design, and Applications:Metamaterials
Theory, Design, and Applications
By Tie Jun Cui · David R. Smith · Ruopeng Liu
Contents
1 Introduction to Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Tie Jun Cui, Ruopeng Liu and David R. Smith
1.1 What Is Metamaterial? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 From Left-Handed Material to Invisible Cloak: A Brief History . . . 4
1.3 Optical Transformation and Control of Electromagnetic Waves . . . 5
1.4 Homogenization of Artificial Particles and Effective Medium
Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.2 A TL-Metamaterial Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Rapid Design of Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Resonant and Non-resonant Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Applications of Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8 Computational Electromagnetics: A New Aspect of Metamaterials 16
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Optical Transformation Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Wei Xiang Jiang and Tie Jun Cui
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Optical Transformation Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Transformation Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Invisibility Cloaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 EM Concentrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 EM-Field and Polarization Rotators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.4 Wave-Shape Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.5 EM-Wave Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.6 More Invisibility Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.7 Other Optical-Transformation Devices . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 General Theory on Artificial Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Ruopeng Liu, Tie Jun Cui and David R. Smith
3.1 Local Field Response and Spatial Dispersion Effect
on Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Spatial Dispersion Model on Artificial Metamaterials . . . . . . . . . . . 53
3.3 Explanation of the Behavior on Metamaterial Structures . . . . . . . . . 55
3.4 Verification of the Spatial Dispersion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Rapid Design for Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Jessie Y. Chin, Ruopeng Liu, Tie Jun Cui and David R. Smith
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 The Algorithm of Rapid Design for Metamaterials. . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 Schematic Description of Rapid Design . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Particle Level Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1 Gradient Index Lens by ELC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.2 Gradient-Index Metamaterials Designed with Three
Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.3 Reduced Parameter Invisible Cloak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.4 Metamaterial Polarizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5 Broadband and Low-Loss Non-Resonant Metamaterials . . . . . . . . . . . 87
Ruopeng Liu, Qiang Cheng, Tie Jun Cui and David R. Smith
5.1 Analysis of the Metamaterial Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2 Demonstration of Broadband Inhomogeneous Metamaterials . . . . . 93
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6 Experiment on Cloaking Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Ruopeng Liu, Jessie Y. Chin, Chunlin Ji, Tie Jun Cui
and David R. Smith
6.1 Invisibility Cloak Design in Free Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Transformation Optics Approach to Theoretical Design
of Broadband Ground Plane Cloak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3 Metamaterial Structure Design to Implement Ground-Plane
Cloak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4 Experimental Measurement Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5 Field Measurement on the Ground-Plane Cloak . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6 Power and Standing Wave Measurement
on the Ground-Plane Cloak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7 Finite-Difference Time-Domain Modeling of Electromagnetic
Cloaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Christos Argyropoulos, Yan Zhao, Efthymios Kallos and Yang Hao
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 FDTD Modeling of Two-Dimensional Lossy Cylindrical Cloaks . . 117
7.2.1 Derivation of the Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.2 Discussion and Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2.3 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.3 Parallel Dispersive FDTD Modeling of Three-Dimensional
Spherical Cloaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.4 FDTD Modeling of the Ground-Plane Cloak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8 Compensated Anisotropic Metamaterials: Manipulating
Sub-wavelength Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Yijun Feng
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.2 Compensated Anisotropic Metamaterial Bilayer . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.2.1 Anisotropic Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.2.2 Compensated Bilayer of AMMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.3 Sub-wavelength Imaging by Compensated Anisotropic
Metamaterial Bilayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3.1 Compensated AMM Bilayer Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3.2 Loss and Retardation Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.4 Compensated Anisotropic Metamaterial Prisms: Manipulating
Sub-wavelength Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.4.1 General Compensated Bilayer Structure . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.4.2 Compensated AMM Prism Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.5 Realizing Compensated AMM Bilayer Lens
by Transmission-Line Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.5.1 Transmission Line Models of AMMs . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.5.2 Realization of Compensated Bilayer Lens Through TL
Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.5.3 Simulation and Measurement of the TL Bilayer Lens . . . . 176
8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9 The Dynamical Study of the Metamaterial Systems . . . . . . . . . . . . . . . 183
Xunya Jiang, Zheng Liu, Zixian Liang, Peijun Yao, Xulin Lin
and Huanyang Chen
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.2 The Temporal Coherence Gain of the Negative-Index Superlens
Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.3 The Physical Picture and the Essential Elements
of the Dynamical Process for Dispersive Cloaking
Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
9.4 Limitation of the Electromagnetic Cloak with Dispersive
Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.5 Expanding the Working Frequency Range of Cloak . . . . . . . . . . . . . 204
9.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10 Photonic Metamaterials Based on Fractal Geometry . . . . . . . . . . . . . . 215
Xueqin Huang, Shiyi Xiao, Lei Zhou, Weijia Wen, C. T. Chan and Ping
Sheng
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.2 Electric Metamaterials Based on Fractal Geometry . . . . . . . . . . . . . 218
10.2.1 Characterization and Modeling of a Metallic Fractal
Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10.2.2 Mimicking Photonic Bandgap Materials . . . . . . . . . . . . . . 222
10.2.3 Subwavelength Reflectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3 Magnetic Metamaterials Based on Fractal Geometry . . . . . . . . . . . . 225
10.3.1 Characterizations and Modeling of the Fractal Magnetic
Metamaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.3.2 A Typical Application of the Fractal Magnetic
Metamaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
10.4 Plasmonic Metamaterials Based on Fractal Geometry . . . . . . . . . . . 229
10.4.1 SPP Band Structures of Fractal Plasmonic Metamaterials 229
10.4.2 Extraordinary Optical Transmissions Through Fractal
Plasmonic Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.4.3 Super Imaging with a Fractal Plasmonic Metamaterial
as a Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.5 Other Applications of Fractal Photonic Metamaterials . . . . . . . . . . . 238
10.5.1 Perfect EM Wave Tunneling Through Negative
Permittivity Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.5.2 Manipulating Light Polarizations with Anisotropic
Magnetic Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
11 Magnetic Plasmon Modes Introduced
by the Coupling Effect in Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
H. Liu, Y. M. Liu, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu and X. Zhang
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.2 Hybrid Magnetic Plasmon Modes in Two Coupled Magnetic
Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.3 Magnetic Plasmon Modes in One-Dimensional Chain
of Resonators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.4 Magnetic Plasmon Modes in Two-Dimensional Metamaterials . . . . 262
11.5 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12 Enhancing Light Coupling with Plasmonic Optical Antennas . . . . . . 271
Jun Xu, Anil Kumar, Pratik Chaturvedi, Keng H. Hsu
and Nicholas X. Fang
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
12.2 Fabrication Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.2.1 Electron Beam Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.2.2 Solid-State Superionic Stamping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
12.3 Measurement and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
12.3.1 Optical Scattering by Nanoantennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
12.3.2 Cathodoluminescence Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.4 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.4.1 Surface-Enhanced Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
13 Wideband and Low-Loss Metamaterials
for Microwave and RF Applications: Fast Algorithm
and Antenna Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Le-Wei Li, Ya-Nan Li and Li Hu
13.1 Adaptive Integral Method (AIM) for Left-Handed Material
(LHM) Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
13.1.1 Hybrid Volume–Surface Integral Equation (VSIE)
and MoM for SRRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
13.1.2 Formulations for AIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
13.1.3 Numerical Results of AIM Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 298
13.2 ASED-AIM for LHM Numerical Simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
13.2.1 Formulations for Hybrid VSIE and ASED-AIM . . . . . . . . 301
13.2.2 Computational Complexity and Memory Requirement
for the ASED-AIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
13.2.3 Numerical Results of the ASED-AIM. . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.3 A Novel Design of Wideband LHM Antenna
for Microwave/RF Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.3.1 Microstrip Patch Antenna and LHM Applications . . . . . . 311
13.3.2 A Novel Design of Wideband LH Antenna . . . . . . . . . . . . 311
13.3.3 Simulation and Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
14 Experiments and Applications of Metamaterials in Microwave
Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Qiang Cheng, X. M. Yang, H. F. Ma, J. Y. Chin, T. J. Cui, R. Liu
and D. R. Smith
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
14.2 Gradient Index Circuit by Waveguided Metamaterials . . . . . . . . . . . 322
14.3 Experimental Demonstration of Electromagnetic Tunneling
Through an Epsilon-Near-Zero Metamaterial at Microwave
Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
14.4 Partial Focusing by Indefinite Complementary Metamaterials . . . . 332
14.5 A Metamaterial Luneberg Lens Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14.6 Metamaterial Polarizers by Electric-Field-Coupled Resonators . . . 341
14.7 An Efficient Broadband Metamaterial Wave Retarder . . . . . . . . . . . 347
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
15 Left-handed Transmission Line of Low Pass and Its Applications . . . 357
Xin Hu and Sailing He
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
15.2 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
15.3 Application: A 180◦ Hybrid Ring (Rat-Race) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
15.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
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本帖最后由 cngdyj 于 2010-3-5 20:40 编辑
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Metamaterials Theory
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崔教授的书 值1000多RMB啊
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跟着P2P网贷O2O模式(线上、线下相联合)的发展，三四线城市开端成为各大平台角逐的焦点。
不外，有业内人士指出，在线下店面疾速扩大的情况下，网贷公司如何坚持资金链稳固，并做到风险可管可控，正在成为网贷O2O模式是否可行，甚至平台成败的要害。
布局三四线城市合法其时
据了解，抢跑三四线城市的网贷公司个例。“一二线城市的理财意识已经很高，绝对而言，三四线城市刚起步，他们存在理财意识和融资需要的也许多，良多却还不晓得互联网金融和网络投融资平台。这个时候，领先布局三四线城市甚至乡镇地区正当其时。”一位平台负责人记者说。
投资者认知度低成挑衅
然而，满怀热忱向三四线城市扩张的网贷平台却面临一个稍显冷淡的事实，比拟用户认知度较高的大城市，这些中小城市跟乡镇地域的用户对P2P网贷并不熟习，进行投资者教育成为重中之重。
还有另一种情况，网络理财的高收益可能引起用户的盲目投资：“投资不是存款，任何一种投资都随同着风险,网贷基金，线下休会店要让用户意识到网络理财的利益，还要确保用户充足意识到其中的风险，做好投资者教导。”
一些网贷平台对社区、乡镇一级的实体店定位为体验店，首先等于通过体验让投资人和融资者了解P2P网贷，其次才是供给理财、贷款等业务。
事实上，投资机构对投资者开展投资教育，防备投资人盲目投资、保证投资人权利的通例，不仅有银监会、证监会等监管部分的强迫性请求，银行、证券等金融机构也会按期展开推广运动。然而在敏捷发展的互联网金融中，这项要求却被广泛疏忽了。
保障金模式初探
除了前述一些问题之外，有业内人士指出,网贷基金，P2P网贷平台大范围下沉渠道会不会增添风控的压力也值得警戒。在这种大批店面加盟的情况下，社区一级店面的风险如何把持，一旦出现风险会不会传导给市一级经营核心甚至是平台总部，都是不容疏忽的问题。
一位平台CEO以为，中国征信系统不尽完美的情形下，单纯依附用户提交的数据作为征集根据存在危险，而线下店面则能够通过实地调研实现信贷考察，这样得出的论断比纯线上模式更加牢靠。
据懂得，为避免线下店面盲目寻求业务量而下降风控尺度，一些网贷平台还设计了一种保证金模式。想要加盟其线下店面，就要交一笔从多少十万元到上百万元不等的保证金，重要用于店面贷款业务呈现逾期或者坏账时的资金赔付，而且涌现一笔赔付造成保证金减少时，加盟店必需补齐保证金才干持续发展业务,网贷基金。
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这是好活呀。
崔教授的书 值1000多RMB?
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这也是本好书啊，找了好久了
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