新型復雜電磁結構理論及應用研究.pdf

1、新型電磁結構和材料是當前研究的熱點，在微波、毫米波領域具有巨大的應用潛力。但是，新型電磁材料的理論和應用起步不久，在理論研究、數(shù)值仿真、實驗測試和實際應用等方面還有待深入。有鑒于此，本文首先通過對新型電磁材料所具有特殊性質的分析，抓住Fermat原理，電磁能量和最小作用量原理等電動力學中的基本概念，推廣和解決了新型電磁結構相關研究中的一些關鍵性理論問題。隨后，本文并沒有僅僅停留于單純的理論分析，在后面的章節(jié)中對幾種典型新型材料中的一些新

2、特性進行了探索研究。以具有代表性的矩形柵格PBG周期陣列結構為研究對象，研究了線性和非線性Kerr型摻雜兩大類媒質情況下主要的一些特性，對光子晶體的帶隙特性、相干孤子特性以及耗散作用的影響進行了深入分析，并給出了計算實例。根據(jù)多種新型電磁材料和結構所具有的獨特電磁性質的不同特點，對其中相應的結構模型分別進行了全波仿真和實驗分析。本文的主要工作體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　 深入研究了左手媒質形成負折射的機理，提出了廣義折射率的表示形

3、式，從而對Fermat原理進行了推廣。對Fermat原理與最小作用量原理的進行了對比分析，并通過路徑積分運算，使兩者在宏觀層面上得到了一定的統(tǒng)一。進而揭示了相位在作用量原理中的重要作用。
　　 對新型電磁材料中有關電磁能量的一些問題進行了論述。在Englman等人工作的基礎上，發(fā)展了電磁作用量以及作用量原理的形式。在引入分數(shù)微分的基礎上，給出耗散電磁媒質中的Lagrange量，并通過推導相應的Euler-Lagrange方程獲得

4、了時域形式的Lorentz媒質模型。重新考慮了Hamilton量，系統(tǒng)時間變換不變量和能量間的關系，由此得到了與近期文獻工作中相符合的電磁能量形式。討論了基于Lorentz媒質模型的色散媒質中的Foster定理。以路模型的形式對電磁能量的進行了分析，在理論上建立了Tretyakov和Boardman各自所定義的電磁能量形式之間的聯(lián)系。
　　 分別研究了線性媒質和非線性媒質光子晶體周期結構。應用平面波展開法分析了線性媒質光子晶體的

5、帶隙結構。通過提出的作用量形式，采用變分方法分析了二維矩形柵格光子晶體X點孤子的相干耦合特性?？紤]到耗散效應的普遍性，通過有耗作用量原理對于相應模型中耗散作用對孤子特性的影響進行了研究。
　　 對具有代表性的幾種新型電磁媒質進行了仿真和實驗研究，從而對新型材料所表現(xiàn)出的一些新現(xiàn)象進行了探索。對平板波導中加載不同分布組合的左、右手媒質塊進行了等效媒質模擬，對平面微帶復合傳輸陣列及其單元結構所具有的表面波和空間波特性進行了電路級和全