二维传输线媒质成像特性研究

论文摘要

1968年,Veselago从理论上系统地研究了介电常数ε和磁导率μ同时为负的介质并预测了它们所具有的不同寻常的电磁特性,如逆斯涅尔定律(Reversed Snelllaw),逆多普勒效应(Reversed Doppler effect)和逆契仑可夫辐射(Reversed Cerenkov radiation)等。由于在自然界没有这样的介质,Veselago的研究成果并没有引起人们的重视,直到最近,随着第一个人工负折射率微波媒质的实现,负折射率媒质已经成为国际电磁学界和光学界一个引人注目的前沿研究领域。传统正折射率透镜是通过修正传播傅立叶成分的相位来实现电磁波的聚焦,然而,幅度衰减的倏逝傅立叶成分则被丢失了,这样就限制了传统透镜像的分辨率大约在一个波长。但是负折射率媒质板完美透镜不仅能够纠正传播傅立叶成分的相位也能恢复倏逝波的幅度,从而可以突破衍射极限对物体进行亚波长成像,极大地提高了透镜成像的分辨率。本文主要围绕二维负折射率传输线介质板完美透镜的边界阻抗匹配、一对L(电感)加载和C(电容)加载传输线介质板的隧道效应和成像特性、源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜成像特性等方面展开研究,主要研究工作以及取得的研究成果如下：1.首次利用微变等效电路方法分析了二维加载LC(电感电容)传输线媒质单元和未加载传输线媒质单元,获得了有助于设计这些媒质的色散特性。负折射仿真结果验证了该方法在分析二维传输线媒质特性方面是完全可行的。2.基于一般性二维分布网络的含源波动方程,首次详尽研究了二维加载LC传输线单元和未加载传输线单元的径向阻抗和电压分布,解决了负折射率传输线介质板完美透镜边界阻抗的匹配问题,为设计这类透镜系统提供了理论依据。并在此基础上提出了等效无穷大负折射率传输线介质板透镜的设计方法。3.基于平面电磁波在多层介质中的传播理论,首次研究了一对L加载传输线和C加载传输线介质板并置在一起所具有的电磁特性。研究表明合适地选择这对介质板z方向的Bloch(布洛赫)阻抗,z方向的波数以及每一个介质板的厚度,平面电压波包括传播波和倏逝波在通过这样一对介质板的前后,电压波幅度、相位以及传播方向均不发生改变,这将直接导致亚波长虚像的形成。这种效果在像的重构,分辨的提高和近场成像等方面提供了一个未来潜在应用。4.提出了使用负折射率传输线介质板进行亚波长成像的新方法。分析了板内源产生的平面电压波与负折射率传输线媒质板的相互作用,研究了源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜成像特性,电路仿真和数值计算都显示板内离开源的倏逝波幅度随传播距离的增加而指数增大,这表明倏逝波参与了成像。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 负折射率媒质的定义
• 1.2 边界条件
• 1.3 逆斯涅尔定律:负折射
• 1.4 负折射率介质板的完美成像特性
• 1.5 逆Goos-Hanchen位移效应
• 1.6 逆Doppler效应
• 1.7 逆Cerenkon辐射效应
• 1.8 负光压效应
• 1.9 首个人工负折射率媒质
• 1.10 负折射率媒质的研究概况
• 1.11 二维传输线负折射率媒质
• 1.12 本文的主要研究内容和贡献
• 1.13 论文结构及内容安排
• 第二章 二维负折射率传输线媒质理论
• 2.1 引言
• 2.2 采用ABCD矩阵（传输矩阵）方法分析一般性的二维分布网络
• 2.3 二维加载LC传输线网络
• 2.4 作为有效媒质的二维加载LC传输线网络
• 2.5 二维未加载传输线网络
• 2.6 一般性的二维分布网络的波动方程及其求解
• 2.7 微变等效电路方法分析二维未加载传输线单元
• 2.8 微变等效电路方法分析二维加载LC传输线单元
• 2.9 二维正-负折射率传输线媒质间的负折射
• 2.10 本章小结
• 第三章 径向阻抗和等效无穷大负折射率传输线介质板透镜成像
• 3.1 引言
• 3.2 一般性的二维分布网络的径向阻抗
• 3.3 二维传输线媒质边界径向阻抗匹配仿真
• 3.4 等效无穷大负折射率传输线介质板透镜的设计
• 3.5 等效无穷大负折射率传输线介质板透镜的仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 一对L加载和C加载传输线介质板中的隧道效应及虚的成像
• 4.1 引言
• 4.2 多层介质中的反射和透射
• 4.3 二维L加载传输线媒质和C加载传输线媒质
• 4.4 平面电压波与一对L加载和C加载传输线介质板的相互作用
• 4.5 一对L加载和C加载传输线共轭匹配板的隧道效应
• 4.6 一对L加载和C加载传输线介质板虚的亚波长成像
• 4.7 本章小结
• 第五章 源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜亚波长成像
• 5.1 引言
• 5.2 负折射率介质板透镜亚波长成像理论
• 5.3 板内源产生的平面电压波与负折射率传输线介质板的相互作用
• 5.4 微波电路仿真点源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜成像
• 5.5 数学描述点源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜成像
• 5.6 数值计算模拟点源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜成像
• 5.7 电路仿真源嵌入正折射率传输线介质板内的透镜成像
• 5.8 源嵌入负折射率传输线介质板内的透镜成像机理
• 5.9 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文贡献
• 6.2 下一步工作的建议和未来研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 本文作者已发表、录用和在审的文章
• 本文作者在攻读博士学位期间参加的科研项目