異向介質等效電路理論及實驗的研究.pdf

1、在宇宙萬物中，其宏觀的電磁參數(shù)特性均可采用如下最基本的物質本構方程來概括：D=-ε·-E+--ξ·H-B==μ·-H+-=ζ·-E其中=ε、=μ、-ξ和=ζ表示的是介質在各個方向電磁特性的張量，它們可以是復數(shù)的，也可以是與頻率有關的。由于每個張量分別包含了18個實數(shù)變量，因此，描述介質的電磁參數(shù)特性總共可以采用72個實數(shù)變量來概括。如果是各向同性物質，其本構方程簡化為：-D=ε-E-B=μH一般來說，在自然界中，物質的ε與μ的實部變量都

2、為正值，當然也有例外，如在低頻頻段，等離子體介質的ε為負。如果僅僅是ε為負或者僅僅是μ為負時，電磁波在這類介質中衰減很快，不能傳播。然而，如果ε與μ同時為負時，電磁波在這類介質中仍舊可以傳播。1968年，Veselago從理論上系統(tǒng)地研究了這類介質所具有的不同尋常的電磁特性，如：逆斯涅爾折射(ReversedSnellRefraction)效應、逆多普勒效應(ReversedDopplerEffect)以及逆契侖可夫輻射(Reverse

3、dCerenkovRadiation)等等，Veselago把這類介質命名為Left-handedmaterial。然而，由于自然界中找不到這種物質，Veselago的研究結果一直沉睡了近三十年。直到最近，第一塊具有這種不同尋常特性的人工介質的出現(xiàn)才重新喚起了科學家對這個研究領域的興趣，這類介質的研究也成為當前微波與光學領域中的前沿與熱點問題?？捉甬T(J.A.Kong)教授在詳細研究了電磁波在這類介質中傳播特性的基礎上[13～16]，建

4、議命名其中文名稱為“異向介質”，以突出電磁波在這種介質中傳播時所表現(xiàn)出的不同于傳統(tǒng)媒質的各種“異向”效應與“奇異”特性。由于其潛在的利用價值和廣泛的應用前景，異向介質的發(fā)現(xiàn)被美國《科學》雜志評為2003年度十大科技突破之一。 在異向介質研究領域里，實驗工作的重要性是顯而易見的。然而，到目前為止，有關異向介質的實驗研究相對于理論研究要少之又少，這主要是目前沒有性能良好的異向介質樣品，使實驗的驗證和測量變得非常困難。因此要使異向介質

5、得到廣泛的應用，具有性能良好的異向介質樣品必不可少。本文正是基于這個目的，致力于尋求異向介質材料及潛在應用研究，進行了大量的實驗研究工作，通過研究異向介質的內部機理，來探索實現(xiàn)性能良好的異向介質的可行性。本文采用實驗的手段，通過分析、改變、優(yōu)化微觀的金屬圖形實現(xiàn)了多種新型的具有特殊性能及有特定應用的異向介質，如具有性能非常穩(wěn)定的S型異向介質、超寬頻帶的異向介質、多通帶異向介質等等，并在此基礎上創(chuàng)造性地提出了用于研究不同異向介質結構的宏觀

6、電磁特性的等效電路模型。本文同時也對驗證異向介質宏觀電磁特性的實驗方法做了詳細的研究，提出了新型的T型波導實驗驗證異向介質“異向”特性的實驗方法。本文的研究工作拓寬了實現(xiàn)異向介質結構的思路，填補了異向介質領域實驗研究的空白，在實驗研究方面，其研究成果都己達到世界領先水平，本文具體研究成果歸納如下： 1.提出并實現(xiàn)了新型的基于S結構的異向介質。理論、仿真以及實驗結果表明：與傳統(tǒng)的Smith設計的SRR/Rod結構相比，S型異向介質

7、結構具有很大的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：(1)巧妙地降低了電諧振頻率，因此不需要額外的金屬棒陣列就能達到在某個頻帶內介電常數(shù)和磁導率同時為負的目的，使介質的制造更加簡便；(2)由于S型異向介質結構簡單，也使得電磁波在介質中傳播時由于散射引起的損耗減??；(3)由于增加了S樣品與上下波導壁之間的等效電容，除去了SRR/rod結構所存在的與波導壁是否接觸的敏感性問題，因而使負折射的現(xiàn)象更加穩(wěn)定。 2.首次設計實現(xiàn)了超寬頻帶的磚墻型異向介質結

8、構樣品，實驗結果表明其帶寬比率達到了37.5％，是目前己報道負折射率頻帶帶寬最寬的異向介質結構。 3.設計實現(xiàn)了世界上第一塊多通帶異向介質的樣品。通過改變結構中等效電感和等效電容值，可以引入多個諧振點，從而使異向介質在多個通帶內表現(xiàn)出負的電磁參數(shù)特性。同時總結了設計多通帶異向介質結構的三種方法：(1)改變環(huán)路的等效電容和電感從而在負介電常數(shù)通帶內引入多個磁諧振頻率；(2)對應地，也可以在負磁導率通帶內引入多個電諧振頻率；(3)在

9、單純通過改變環(huán)路的等效電容和電感不能滿足要求時，可以通過增加額外的環(huán)路來引入更多的諧振頻率。 4.在基于大量新型異向介質結構的實驗研究基礎上，創(chuàng)造性地提出了能夠準確分析各類異向介質結構宏觀電磁特性的等效電路模型，把異向介質不同單元之間的耦合歸納為一個互感系數(shù)M來表述。通過與仿真結果的對比，引入M的電路模型比沒有引入M的模型精確。本文提出的等效電路模型可以分析目前幾乎所有已發(fā)表的一維SRR結構，包括包含多個電流環(huán)的結構，如S型諧振

10、器及其各種衍生結構、Ω型諧振器，等等；同時還可以直接應用到多維的SRR結構，如二維交叉SRR結構、二維交叉Ω型、S型諧振器等，因而是一種普遍適用的分析、理解異向介質磁效應、提取異向介質等效電磁參數(shù)的方法。反過來，等效電路模型也可以作為一個工具來指導設計具有特殊性質的異向介質結構。 5.創(chuàng)造性地提出了驗證異向介質電磁特性的T型波導實驗方法。實驗結果表明當T型波導為空時，與入射端口相對的出射端口接收到了大部分功率，而當T型波導放入異