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新型Meta材料特性与结构研究

胡爱娟  
【摘要】:左手材料是一种新型的人造材料,是超材料(Meta-material)的一种。与常规材料相反,它具有同时为负的介电常数和磁导率,进而具有负的折射系数。电磁波在这种材料中传播时,也将显示与常规介质不同的各种逆/反向效应,如负折射效应、逆多普勒效应、逆切伦可夫辐射等。基于该特殊人造材料的异常参数特性,可以设计研究一些新型的小型化天线和微波器件、设备,并应用到无线通信和国防工业上。用Meta材料制成的超棱镜及其工作原理更是为医学应用开辟了新的阵地。2003年美国《科学》将这种奇异材料的研制纳入年度十大科学进展,其反常的特性预示着材料世界前所未有的革命性时刻的到来。为了深入发掘左手材料的巨大价值,必须准确了解和掌握这种新型Meta材料的相关特性。基于左手材料技术的前沿性和应用潜力的强大,本论文进行了左手材料特性与结构的分析研究。 论文首先研究了左手材料的国内外研究现状,对电磁波在左手材料中的传输反射进行了较为详细的阐述分析,并结合常规介质作了比较,重点介绍了完美成像理论。 论文随后研究了左手材料的构造基础,分别从金属结构模型和电路模型角度讨论了复合材料的构造原理,同时从理论和实验角度解释了左手材料中负折射现象的产生。 论文着重对构造具有异向特性的左手材料结构进行了设计,使用CST公司的MWS软件做了仿真:对Smith结构中的SRR单元的相关尺寸与传输特性的关系进行了仿真分析;以Ziolkwski的结构模型为基础,为了更好的实现加载电容和棒状结构的耦合,提出了一种新的复合材料结构——Lens和SRR组合左手材料结构。三种结构的复合材料在原本的SRR传输禁带处形成了传输通带,显示出异向传输特性,通带起始频率能保持在8.4GHz左右,传输带宽在1.5GHz至1.7GHz范围。 最后,以三层介质为例,论文对介电常数和磁导率同时为零值的情况进行了理论假设,得到了介质板内的电场位函数不受位置影响,恒定不变的结论。


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