基于FDTD算法的左手介质电磁特性分析

【摘要】： 近年来,一种称为“左手介质”的人工复合超材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐。这种由俄罗斯物理学家Veselago在1967年提出的虚拟材料具有同时为负的介电常数和磁导率,因而展现出很多奇特的电磁特性,这些奇特的电磁特性为左手介质的应用打开了广阔的视野,突破了许多传统电磁学应用设计的限制,因而左手介质的人工设计构造、电磁特性研究以及应用设计开发成为国内国际微波领域研究的热点。本文从左手介质的电磁特性研究出发,对于左手介质的异常电磁特性的发生机理进行理论探索,并结合时域有限差分算法对左手介质进行建模,设计实现其异常电磁特性,进行分析总结。 首先,本文介绍了时域有限差分算法的基本理论,结合Yee氏网格与差分公式推导自由空间中三维迭代形式,并给出时域有限差分法解的稳定性条件和数值色散最小化条件。针对本课题的研究内容,简单介绍了激励技术、吸收边界条件和总场—散射场的设定方法。 第二,本文通过对国内外人工左手介质设计的研究,选择了与实际左手介质材料传输线模型相似的电磁场本构关系模型,并结合时域有限差分法原理给出了左手介质的时域有限差分格式,实现了左手介质电磁特性研究的数值算法建模。 第三,本文对左手介质的反常电磁特性进行理论分析,在理论上验证了左手介质的负折射效应、汇聚效应、相位补偿效应、并结合左手介质的FDTD模型从数值算法上对上述特性进行论证,证实了左手介质反常电磁特性的存在性。 第四,本文在分析左手介质反常电磁特性的基础上,从理论上分析了波在左手介质中的能量传播方向,与其相速、群速做一比较,证实了能量传播守恒性,并不违反电磁物理学规律。 从1967年左手介质的设想被提出以来,左手介质经过了理论论证和实验验证,本文从数值仿真的角度,进一步论证了左手介质及其反常电磁特性的存在性,为左手介质的应用和设计提供了参考意义。