一种新型异向介质结构的设计与计算

论文摘要

近年来,人工周期结构研究的兴起使人们又能重新去认识一种非同寻常的材料——异向介质(metamaterials)。这个概念最早由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年提出的。而Veselago也于1968年发表文章阐述了其独特的电磁特性,如逆Snell定律、逆多普勒效应、以及逆契仑柯夫辐射效应等等。直到2001年Smith等人工制造出了第一块左手介质,首次用实验证实了介质的负折射特性并发表在《科学》杂志上,Veselago的研究才得到了论证。之后,国际上展开了大量的关于异向介质的研究。本文首先通过研究异向介质的内部机理,提出了根据介质结构参数与其电磁参数的关系来设计新型的性能优良的异向介质结构的方法。随后对改进的金属线结构作了计算机仿真与分析。研究结果表明金属线两端的横线结构对该频带内的等效介电常数没有影响。在此基础上提出了方形环异向介质结构,实现了传统线环结构的统一结合。通过对方形环结构的计算仿真,发现环形面积与单元格面积的比例对其负磁导率带宽的影响很大,并证明了新的方形环结构在较宽的带宽内具有负折射特性。最后,本文在方形环结构异向介质的基础上扩展出了三维各向异性的交叉网状结构,最大限度的提高了环形面积与单元格面积的比例,并通过计算机仿真验证了该结构在更宽的频带内可同时实现负介电常数和负磁导率。计算结果表明其带宽在x和z方向分别达到了11GHz和16GHz。在理论上证实了其具有宽带的三维各向异性的负折射特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.2 异向介质的研究现状
• 1.2.1 理论的深化研究
• 1.2.2 材料特性的研究
• 1.2.3 异向介质的新结构
• 1.3 异向介质的应用
• 1.4 本论文的目的、意义和内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 异向介质的理论基础
• 2.1 异向介质的基本性质
• 2.1.1 电场、磁场和波矢符合左手定则
• 2.1.2 负折射特性
• 2.2 异向介质的电磁特性
• 2.2.1 逆Snell折射
• 2.2.2 逆Doppler效应
• 2.2.3 逆Cerenkov效应
• 2.2.4 逆Goos-Hanchen位移效应
• 2.3 电磁波的传播特性
• 2.3.1 平面电磁波在常规介质中的传播
• 2.3.2 电磁波在异向介质中的传播
• 2.3.3 折射波的传播方向
• 2.4 异向介质的构造
• 2.4.1 最初的线环结构
• 2.4.2 其它结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 异向介质结构参数与其电磁参数的关系
• 3.1 负介电常数的实现
• 3.2 结构参数与介电常数的关系
• 3.2.1 有效介电常数实部的计算分析
• 3.2.2 有效介电常数虚部的计算分析
• 3.3 负等效磁导率的实现
• 3.4 结构参数与等效磁导率的关系
• 3.4.1 等效磁导率实部的计算分析
• 3.4.2 有效磁导率虚部的计算分析
• 3.5 等效电路模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 方形环结构的提出
• 4.1 改进的金属线结构
• 4.2 方形环结构的提出
• 4.2.1 等效磁导率的证明
• 4.2.2 等效磁导率的分析
• 4.2.3 等效介电常数的分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 一种扩展的方形环结构
• 5.1 扩展新结构等效磁导率的分析
• 5.1.1 新结构x-z面结构参数的计算分析
• 5.1.2 新结构x-y面结构参数的计算分析
• 5.2 扩展新结构等效介电常数的分析
• 5.2.1 当电场沿z方向时新结构等效介电常数的分析
• 5.2.2 当电场沿x方向时新结构等效介电常数的分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢