自偏置磁性光子晶体的电磁特性及其应用研究

论文摘要

由于其独特的能带结构以及由此产生的奇异的电磁特性,光子晶体已成为近年来的研究热点。磁性光子晶体,不但有普通介质（或金属）光子晶体的能带特点,还具有某些独特的电磁特征,如磁共振导致的负磁导率,负磁导率产生的磁表面等离激元和负折射,时间反演对称性破缺所带来的非互易性等。这些独特的特征导致了一系列奇特的电磁现象,如超透镜、电磁量子霍尔效应等。然而,传统的磁性光子晶体是由软磁材料构成,需要在外加磁场下工作,这对于磁性光子晶体的实际应用造成了很大的不便。鉴于此,本文首次提并研究了出了由硬磁材料构成的自偏置磁性光子晶体的电磁特性及其在滤波器中的应用。自偏置磁性光子晶体不仅解决了需要外加磁场的不便,而且有利于实现基于磁性光子晶体的电磁器件的小型化。本文的主要研究工作如下：1、提出并实现了一种仅由锶-硬磁铁氧体构成的左手材料。利用能带图计算、等频图计算、等效电磁参数计算以及斜入射仿真来构建和理论证明材料是εeff=μeff=neff=-1的左手材料。实验上制备了不同角度、不同晶格结构的尖劈状样品,验证了样品是neff=-1的左手材料。与以往的左手材料相比,该材料具有结构简单、阻抗匹配及低损的特点。2、提出并实现了一种基于自偏置磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器。讨论了自偏置磁性光子晶体的晶格常数、尺寸及磁性圆柱的半径对滤波器性能的影响,从而可以设计出不同频段不同带宽的高性能带通滤波器,并且可以实现小尺寸的滤波器。滤波器的实验测量与仿真吻合,验证了滤波器低损耗、高带外抑制、小矩形系数、带内平坦等特点。3、研究了一种基于自偏置磁性光子晶体的单向波导。设计并实现了偶模、奇模两种不同传播模式的波导。传输谱的实验测量验证了波导单向传输的特性,通道边界及内部不同缺陷的引入证明了波导对这些非磁性缺陷的不敏感性。90°单向弯波导、不同介质基底、不同晶格点阵的单向波导的设计实现,显现了自偏置磁性光子晶体在单向波导设计中的灵活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体
• 1.1.1 光子晶体简介
• 1.1.2 光子晶体的分类及研究方法简介
• 1.1.3 光子晶体的应用
• 1.2 磁性光子晶体
• 1.2.1 磁性光子晶体简介及研究方法
• 1.2.2 自偏置磁性光子晶体
• 1.3 左手材料
• 1.3.1 左手材料的性质
• 1.3.2 左手材料的实现及应用
• 1.4 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 基于自偏置磁性光子晶体的左手材料
• 2.1 左手材料的实现方法
• 2.2 硬磁铁氧体材料的电磁特性
• 2.3 基于自偏置磁性光子晶体的左手材料的设计
• 2.3.1 结构的能带图
• 2.3.2 结构的等频图
• 2.3.3 结构的等效电磁参数
• 2.3.4 结构的斜入射仿真
• 2.4 基于自偏置磁性光子晶体的左手材料的实现
• 2.4.1 实验装置描述
• 2.4.2 Snell实验仿真
• 2.4.3 Snell实验数据
• 2.5 基于自偏置磁性光子晶体的左手材料的低损耗特性
• 2.6 不同结构类型的左手材料的设计与实现
• 2.6.1 不同点阵结构的左手材料的设计与实现
• 2.6.2 不同晶格常数的左手材料的设计与实现
• 2.7 总结
• 参考文献
• 第三章 基于自偏置磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器
• 3.1 带通滤波器的研究背景
• 3.2 基于自偏置磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器的设计
• 3.3 结构参数对滤波器性能的影响
• 3.3.1 晶格常数a对滤波器性能的影响
• 3.3.2 磁性圆柱半径r对滤波器性能的影响
• 3.3.3 自偏置磁性光子晶体的阵列大小对滤波器性能的影响
• 3.4 基于自偏置磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器的实现
• 3.5 结论
• 参考文献
• 第四章 基于自偏置磁性光子晶体的单向波导
• 4.1 磁性光子晶体中的电磁单向传播
• 4.1.1 磁性光子晶体中的时间反演对称性破缺
• 4.1.2 磁性光子晶体中电磁单向传播的研究工作
• 4.2 基于自偏置磁性光子晶体的单向波导的设计与实现
• 4.2.1 基于自偏置磁性光子晶体的单向波导的设计
• 4.2.2 基于自偏置磁性光子晶体的单向波导的实验验证
• 4.2.3 不同模式的单向波导的设计与实现
• 4.2.4 90°的单向弯波导的设计与实现
• 4.3 不同类型的单向波导的设计与实现
• 4.3.1 不同介质基底的单向波导的设计与实现
• 4.3.2 不同晶格类型的单向波导的设计与实现
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 5.1 本文的工作总结
• 5.2 未来工作的展望
• 硕士期间发表的论文与专利
• 致谢