異向介質(zhì)等效電路理論及實(shí)驗(yàn)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(zhì)本構(gòu)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(zhì)在各個(gè)方向電磁特性的張量，它們可以是復(fù)數(shù)的，也可以是與頻率有關(guān)的。由于每個(gè)張量分別包含了18個(gè)實(shí)數(shù)變量，因此，描述介質(zhì)的電磁參數(shù)特性總共可以采用72個(gè)實(shí)數(shù)變量來概括。如果是各向同性物質(zhì)，其本構(gòu)方程簡化為：-D=ε-E-B=μH一般來說，在自然界中，物質(zhì)的ε與μ的實(shí)部變量都

2、為正值，當(dāng)然也有例外，如在低頻頻段，等離子體介質(zhì)的ε為負(fù)。如果僅僅是ε為負(fù)或者僅僅是μ為負(fù)時(shí)，電磁波在這類介質(zhì)中衰減很快，不能傳播。然而，如果ε與μ同時(shí)為負(fù)時(shí)，電磁波在這類介質(zhì)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(zhì)所具有的不同尋常的電磁特性，如：逆斯涅爾折射(ReversedSnellRefraction)效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)(ReversedDopplerEffect)以及逆契侖可夫輻射(Reverse

3、dCerenkovRadiation)等等，Veselago把這類介質(zhì)命名為Left-handedmaterial。然而，由于自然界中找不到這種物質(zhì)，Veselago的研究結(jié)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(zhì)的出現(xiàn)才重新喚起了科學(xué)家對(duì)這個(gè)研究領(lǐng)域的興趣，這類介質(zhì)的研究也成為當(dāng)前微波與光學(xué)領(lǐng)域中的前沿與熱點(diǎn)問題。孔金甌(J.A.Kong)教授在詳細(xì)研究了電磁波在這類介質(zhì)中傳播特性的基礎(chǔ)上[13～16]，建

4、議命名其中文名稱為“異向介質(zhì)”，以突出電磁波在這種介質(zhì)中傳播時(shí)所表現(xiàn)出的不同于傳統(tǒng)媒質(zhì)的各種“異向”效應(yīng)與“奇異”特性。由于其潛在的利用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，異向介質(zhì)的發(fā)現(xiàn)被美國《科學(xué)》雜志評(píng)為2003年度十大科技突破之一。 在異向介質(zhì)研究領(lǐng)域里，實(shí)驗(yàn)工作的重要性是顯而易見的。然而，到目前為止，有關(guān)異向介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)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(zhì)樣品，使實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和測(cè)量變得非常困難。因此要使異向介質(zhì)

5、得到廣泛的應(yīng)用，具有性能良好的異向介質(zhì)樣品必不可少。本文正是基于這個(gè)目的，致力于尋求異向介質(zhì)材料及潛在應(yīng)用研究，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，通過研究異向介質(zhì)的內(nèi)部機(jī)理，來探索實(shí)現(xiàn)性能良好的異向介質(zhì)的可行性。本文采用實(shí)驗(yàn)的手段，通過分析、改變、優(yōu)化微觀的金屬圖形實(shí)現(xiàn)了多種新型的具有特殊性能及有特定應(yīng)用的異向介質(zhì)，如具有性能非常穩(wěn)定的S型異向介質(zhì)、超寬頻帶的異向介質(zhì)、多通帶異向介質(zhì)等等，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地提出了用于研究不同異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)的宏觀

6、電磁特性的等效電路模型。本文同時(shí)也對(duì)驗(yàn)證異向介質(zhì)宏觀電磁特性的實(shí)驗(yàn)方法做了詳細(xì)的研究，提出了新型的T型波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證異向介質(zhì)“異向”特性的實(shí)驗(yàn)方法。本文的研究工作拓寬了實(shí)現(xiàn)異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)的思路，填補(bǔ)了異向介質(zhì)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究的空白，在實(shí)驗(yàn)研究方面，其研究成果都己達(dá)到世界領(lǐng)先水平，本文具體研究成果歸納如下： 1.提出并實(shí)現(xiàn)了新型的基于S結(jié)構(gòu)的異向介質(zhì)。理論、仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的Smith設(shè)計(jì)的SRR/Rod結(jié)構(gòu)相比，S型異向介質(zhì)

7、結(jié)構(gòu)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(dá)到在某個(gè)頻帶內(nèi)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的目的，使介質(zhì)的制造更加簡便；(2)由于S型異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，也使得電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)由于散射引起的損耗減?。?3)由于增加了S樣品與上下波導(dǎo)壁之間的等效電容，除去了SRR/rod結(jié)構(gòu)所存在的與波導(dǎo)壁是否接觸的敏感性問題，因而使負(fù)折射的現(xiàn)象更加穩(wěn)定。 2.首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超寬頻帶的磚墻型異向介質(zhì)結(jié)

8、構(gòu)樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其帶寬比率達(dá)到了37.5％，是目前己報(bào)道負(fù)折射率頻帶帶寬最寬的異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)。 3.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了世界上第一塊多通帶異向介質(zhì)的樣品。通過改變結(jié)構(gòu)中等效電感和等效電容值，可以引入多個(gè)諧振點(diǎn)，從而使異向介質(zhì)在多個(gè)通帶內(nèi)表現(xiàn)出負(fù)的電磁參數(shù)特性。同時(shí)總結(jié)了設(shè)計(jì)多通帶異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)的三種方法：(1)改變環(huán)路的等效電容和電感從而在負(fù)介電常數(shù)通帶內(nèi)引入多個(gè)磁諧振頻率；(2)對(duì)應(yīng)地，也可以在負(fù)磁導(dǎo)率通帶內(nèi)引入多個(gè)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(shí)，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(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了能夠準(zhǔn)確分析各類異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)宏觀電磁特性的等效電路模型，把異向介質(zhì)不同單元之間的耦合歸納為一個(gè)互感系數(shù)M來表述。通過與仿真結(jié)果的對(duì)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(jié)構(gòu)，包括包含多個(gè)電流環(huán)的結(jié)構(gòu)，如S型諧振

10、器及其各種衍生結(jié)構(gòu)、Ω型諧振器，等等；同時(shí)還可以直接應(yīng)用到多維的SRR結(jié)構(gòu)，如二維交叉SRR結(jié)構(gòu)、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(zhì)磁效應(yīng)、提取異向介質(zhì)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(gè)工具來指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有特殊性質(zhì)的異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)。 5.創(chuàng)造性地提出了驗(yàn)證異向介質(zhì)電磁特性的T型波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)T型波導(dǎo)為空時(shí)，與入射端口相對(duì)的出射端口接收到了大部分功率，而當(dāng)T型波導(dǎo)放入異