人工電磁媒質(zhì)互補(bǔ)模型的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、人工電磁媒質(zhì)（Electromagnetic Metamaterials）是本世紀(jì)初物理學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)之一。目前，人工電磁媒質(zhì)因其在基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用上的巨大潛力受到了全世界的廣泛關(guān)注。該人工電磁媒質(zhì)突破了傳統(tǒng)電磁場(chǎng)理論的一些重要概念，其研究成果將廣泛應(yīng)用于通信、微波器件等重要領(lǐng)域。
　　人工電磁媒質(zhì)通常由亞波長(zhǎng)諧振單元組成，這些諧振單元對(duì)電磁波的響應(yīng)類似于組成物質(zhì)的分子或者原子。最典型的人工電磁媒質(zhì)粒子是磁場(chǎng)激勵(lì)下的開(kāi)

2、口諧振環(huán)（Split-Ring Resonator，SRR）和電場(chǎng)激勵(lì)下耦合諧振單元（Electric-Field-Coupled inductance capacitance resonator，ELC）。SRR和ELC對(duì)場(chǎng)的響應(yīng)通常用等效媒質(zhì)理論來(lái)描述，例如，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。計(jì)算這些參數(shù)的最常用的一種方法就是把仿真計(jì)算或測(cè)量得到的人工電磁媒質(zhì)的反射系數(shù)和透射系數(shù)看作是相同厚度的均勻媒質(zhì)的解析式。
　　由于這種新型人工電磁媒質(zhì)

3、的特性不但取決于基本單元結(jié)構(gòu)本身，而且取決于基本單元的空間排列方式。因此，我們通過(guò)改變基本單元及其排列結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一類典型的人工電磁媒質(zhì)及其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)研究互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，在物理上驗(yàn)證其互補(bǔ)性。同時(shí)采用等效媒質(zhì)理論和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立了諧振型人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的物理模型和參數(shù)提取的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)研究了諧振型人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的特殊性質(zhì)和構(gòu)造方法，基于已建立的異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的數(shù)學(xué)模型，利用S參數(shù)法成功提取了復(fù)合結(jié)構(gòu)單元的相關(guān)

4、電磁參數(shù)，結(jié)合參數(shù)提取結(jié)果，深入研究了負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的物理意義，強(qiáng)化了諧振型人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)造方法。并通過(guò)軟件HFSS（基于有限元法，F(xiàn)inite Element Method，F(xiàn)EM）和CST（基于有限積分法，F(xiàn)inite Integration Method，F(xiàn)IM）電磁仿真找出影響其工作頻率的關(guān)鍵因素，其表現(xiàn)出特殊的電磁性質(zhì)的頻帶，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論，在此基礎(chǔ)上，并采用波導(dǎo)法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本研究對(duì)人工電磁媒質(zhì)的理論和