微波异向介质实验与应用研究

论文摘要

本学位论文以异向介质为研究背景,主要工作为实验验证微波频段异向介质的基本特性及相关的物理现象,并研究其在耦合器、周期结构及天线中的可能应用。 本文第一部分设计并实现了主波导中填充异向介质的反向波导耦合器。由于在主、副波导边界上必须满足相位匹配条件,当电磁波进入主波导并在其内传播时,将被反向耦合到填充普通介质的副波导中。实验结果验证了异向介质与普通介质之间能量的反向耦合,同时也验证了异向介质中坡印廷矢量与波矢具有相反的方向。 本文第二部分利用具有宽频带特性的异向介质材料,设计和实现了多种一维异向介质—普通介质周期结构,并实验验证了这种周期结构中零阶光子禁带的存在以及其独特的性质。这种光子禁带由于结构的平均折射率为零,其禁带的频率不会随结构周期的改变而改变。 本文的第三部分研究了利用双曲线型色散特性的各向异性异向介质提高天线方向性的方法,建立了实现高指向性辐射条件的理论模型,利用时域有限差分方法进行数值仿真,得到了理想的窄波束宽度的辐射特性,并进一步探讨了各种因素,如各向异性介质平板的长度、宽度以及介质损耗对于天线辐射性能的影响。实验结果验证了理论的预测。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 异向介质的发展背景
• 1.2 异向介质的理论研究
• 1.3 其它实现负折射的两类主要途径
• 1.4 异向介质的实验与应用研究
• 1.5 本文的主要研究内容及意义
• 第二章 异向介质经典实验及应用研究介绍
• 2.1 引言
• 2.2 验证异向介质负折射的实验
• 2.3 负折射透镜汇聚实验
• 2.4 高指向性天线实验
• 2.5 单SRR介质倏逝波放大实验
• 2.6 本章小结
• 第三章 异向介质反向波导耦合器
• 3.1 引言
• 3.2 实现原理
• 3.3 耦合器设计、实现及实验方案
• 3.4 实验结果、性能分析及改进方案
• 3.5 本章小结
• 第四章 异向介质周期结构零阶光子禁带的实验验证
• 4.1 引言
• 4.2 零阶光子禁带的理论基础
• 4.3 验证实验的实验方案
• 4.4 实验结果及讨论
• 4.5 本章小节
• 第五章 基于SRR介质材料的高指向性天线研究
• 5.1 引言
• 5.2 各向异性介质实现高指向性辐射的基本原理
• 5.3 时域有限差分方法仿真以及天线辐射特性的参数分析
• 5.3.1 天线远区场的FDTD仿真
• 5.3.2 各向异性介质平板中的线电流向自由空间的辐射特性
• 5.4 基于SRR介质材料的高指向性天线实验研究
• 5.4.1 实验材料、装置以及实验方案
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要工作与主要成果
• 6.2 未来研究工作设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果