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(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，它的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是2003年度十大科學(xué)突破之一，是當(dāng)前物理與電磁學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿與熱點(diǎn)問題。異向介質(zhì)是指等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的人工合成電磁材料。電磁波在這種介質(zhì)中傳播時(shí)將顯現(xiàn)與傳統(tǒng)介質(zhì)不同的各種逆向或反向效應(yīng)，如負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、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(jì)算和實(shí)際應(yīng)用等方面還需要不斷地完善和深入發(fā)展。 在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，介質(zhì)的電磁性質(zhì)是用介電常數(shù)

2、和磁導(dǎo)率兩個(gè)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(fù)或單負(fù)介質(zhì)，所以在理論分析中應(yīng)該強(qiáng)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(jìn)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(fù)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(fù)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(jì)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(jìn)展，分析了它的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)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(fù)介質(zhì)平板波導(dǎo)傳播表面波的特性，根據(jù)本征方程運(yùn)用圖解法得到沿單負(fù)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(fù)介質(zhì)波導(dǎo)中傳播的比傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)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(yīng)用價(jià)值；使用傳輸矩陣方法對等效負(fù)介電常數(shù)材料和負(fù)磁導(dǎo)率材料雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行了驗(yàn)證； (3)針對實(shí)際復(fù)合材料構(gòu)成的異向介質(zhì)都是各向異性的特點(diǎn)，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(shí)發(fā)生負(fù)折射應(yīng)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(dǎo)率組合；同時(shí)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(fù)、零Goos-H(a)nchen位移的情況，數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性； (4)詳細(xì)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(dǎo)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(yùn)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(fù)雜，根據(jù)單開口環(huán)結(jié)構(gòu)同樣具有磁響應(yīng)和負(fù)磁導(dǎo)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、