等效異向介質(zhì)的特性與結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、異向介質(zhì)是當前科學研究的熱點之一，它的發(fā)現(xiàn)被認為是2003年度十大科學突破之一，是當前物理與電磁學研究領(lǐng)域中的前沿與熱點問題。異向介質(zhì)是指等效的介電常數(shù)和磁導率同時為負值的人工合成電磁材料。電磁波在這種介質(zhì)中傳播時將顯現(xiàn)與傳統(tǒng)介質(zhì)不同的各種逆向或反向效應，如負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射等等。對于其特性的研究，在理論分析、數(shù)值計算和實際應用等方面還需要不斷地完善和深入發(fā)展。 在經(jīng)典電動力學中，介質(zhì)的電磁性質(zhì)是用介電常數(shù)

2、和磁導率兩個宏觀參數(shù)來描述的，我們所討論的異向介質(zhì)模型通常是等效的雙負或單負介質(zhì)，所以在理論分析中應該強調(diào)“等效”的概念。 本文主要對不同等效異向介質(zhì)模型的特性進行了研究，在理論上涉及了等效各向同性異向介質(zhì)、等效單負介質(zhì)、等效各向異性異向介質(zhì)、等效非線性異向介質(zhì)等近幾年陸續(xù)提出的復雜模型，從而向?qū)嶋H結(jié)構(gòu)靠近，以揭示異向介質(zhì)的物理本質(zhì)；而在異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計了以三角形開口環(huán)為基礎(chǔ)的單環(huán)、對環(huán)結(jié)構(gòu)，詣在簡化傳統(tǒng)內(nèi)外嵌套式結(jié)構(gòu)。論

3、文的主要工作可以概括為： (1)簡要介紹了異向介質(zhì)的研究現(xiàn)狀和進展，分析了它的理論基礎(chǔ)和實驗基礎(chǔ)及簡單構(gòu)造。其次研究了電磁波在幾種等效各向同性異向介質(zhì)模型中的傳播特性，并結(jié)合常規(guī)介質(zhì)作了比較，結(jié)果表明異向介質(zhì)存在很多特殊的傳播規(guī)律，深入研究將能挖掘出其巨大的意義； (2)研究了沿等效單負介質(zhì)平板波導傳播表面波的特性，根據(jù)本征方程運用圖解法得到沿單負介質(zhì)平板傳播的奇、偶對稱TE極化表面波的色散曲線圖和能流分布圖，發(fā)現(xiàn)表面波

4、在單負介質(zhì)波導中傳播的比傳統(tǒng)介質(zhì)波導中慢，場和能量集中于介質(zhì)板的上下表面，一定頻率范圍內(nèi)奇、偶表面波型能流反向，該慢波特性在發(fā)展微波器件的小型化方面有著潛在的應用價值；使用傳輸矩陣方法對等效負介電常數(shù)材料和負磁導率材料雙層結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)某些角度的入射波存在零反射率、無衰減的完全隧穿、帶通的特性，并得到數(shù)值結(jié)果對結(jié)論進行了驗證； (3)針對實際復合材料構(gòu)成的異向介質(zhì)都是各向異性的特點，提出了電磁波從各向同性右手介質(zhì)斜入射到等效

5、各向異性異向介質(zhì)時發(fā)生負折射應滿足的條件。根據(jù)理論分析結(jié)果，給出了滿足條件的介電常數(shù)和磁導率組合；同時研究了不同參數(shù)條件下，等效各向異性異向介質(zhì)界面出現(xiàn)的正、負、零Goos-H(a)nchen位移的情況，數(shù)值結(jié)果驗證了理論的正確性； (4)詳細研究了等效非線性異向介質(zhì)中的二次非線性現(xiàn)象。推導了異向性材料非線性互相作用的電磁公式；發(fā)現(xiàn)非線性異向介質(zhì)中的二次諧波過程、和頻過程和差頻過程具有與傳統(tǒng)非線性介質(zhì)完全不同的能流傳播方向以及場

6、分布；同樣介質(zhì)厚度的非線性參量放大過程，異向介質(zhì)能夠得到比傳統(tǒng)介質(zhì)大得多的信號波和閑頻波能量輸出；分析了等效非線性異向與等效非線性右手介質(zhì)界面表面波的傳播特性，運用圖解法研究了表面波的頻率范圍和能流方向與右手材料參量的關(guān)系； (5)針對現(xiàn)有的內(nèi)外嵌套開口雙環(huán)異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式過于復雜，根據(jù)單開口環(huán)結(jié)構(gòu)同樣具有磁響應和負磁導率的性質(zhì)，提出一種簡化的三角形單環(huán)諧振結(jié)構(gòu)，并引申出兩種形式的三角形對環(huán)結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)提取、棱鏡仿真、