雙負(fù)材料的電磁動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、雙負(fù)材料(Double-Negative Material)是指在一定頻率下，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人工復(fù)合材料。在這種材料中，單色均勻平面波的相速方向和坡印亭矢量方向是相反的，因此使雙負(fù)材料表現(xiàn)出一系列反常的電磁特性如：回波效應(yīng)、負(fù)折射效應(yīng)、完美透鏡效應(yīng)和一種極限情況即零折射率材料等。正是由于雙負(fù)材料的這些區(qū)別于其它介質(zhì)的特性使其被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為2003年度十大科技突破之一，并引起全球極大的關(guān)注。 本論文概述了雙負(fù)材

2、料的發(fā)展歷史和潛在的應(yīng)用。從理論上分析了雙負(fù)材料的奇特電磁特性而且說(shuō)明了雙負(fù)材料的兩種制備方法：金屬細(xì)導(dǎo)線和開(kāi)口諧振環(huán)陣列方法、光子晶體方法。簡(jiǎn)介了求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的一種方法：時(shí)域有限差分法(FDTD)。時(shí)域有限差分法是求解電磁波問(wèn)題的一種行之有效數(shù)值計(jì)算方法，基于對(duì)偏微分波動(dòng)方程的離散化處理，通過(guò)時(shí)間和空間的離散化，將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為差分方程組，進(jìn)而求解波傳播過(guò)程中各個(gè)離散點(diǎn)的場(chǎng)量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。 為了模擬雙負(fù)材料首先引入得

3、魯特(Drude)模型建立輔助差分方程，并基于傳統(tǒng)的時(shí)域有限差分法建立出雙負(fù)材料(DNG)的一維和二維的差分方程組。利用傅立葉變換法計(jì)算出此算法的收斂域，結(jié)合時(shí)域有限差分法的數(shù)值色散理論確定出時(shí)間和空間步距。建立離散方程和計(jì)算區(qū)域，在計(jì)算區(qū)域的邊界上設(shè)置了Muf吸收邊界這樣做將大大的節(jié)約計(jì)算機(jī)的資源。利用建立的差分方程組和計(jì)算區(qū)域分別模擬了雙負(fù)材料一維和二維的電磁特性。在一維模擬中，利用連續(xù)的高斯波源模擬了雙負(fù)材料的回波特性和當(dāng)電磁波在

4、折射率為零的材料中傳播相位不變的特性。在二維仿真中，模擬了當(dāng)高斯波垂直入射到雙負(fù)材料平板時(shí)產(chǎn)生的匯聚現(xiàn)象，當(dāng)高斯波斜入射到雙負(fù)材料平板時(shí)產(chǎn)生的負(fù)折射現(xiàn)象。并利用點(diǎn)源模擬出平面雙負(fù)材料具有突破Rayleigh衍射極限使倏逝波成像的能力即：完美透鏡現(xiàn)象。最后，建立了由雙負(fù)材料構(gòu)成的正方排列的二維周期結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)差分方程，編寫了周期結(jié)構(gòu)反射系數(shù)計(jì)算程序，計(jì)算當(dāng)電磁波在由雙負(fù)材料組成的圓柱周期性分布材料中傳播的特性。結(jié)果表明由雙負(fù)材料組成的單