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可调谐电磁超介质的设计及特性研究

李天倩  
【摘要】:超介质指呈现天然材料或化合物所不具备的性质的人工合成或构造的材料。电磁超介质是通过在传统的媒质材料中嵌入某种几何结构的单元,构造出自然媒质不具有的电磁特性的人工材料。1968年,V. G. Veselago从理论上研究了介电常数ε和磁导率μ同时为负的假想介质,发现一系列奇异的电磁现象。2000年,D. R.Smith等人通过实验证明了这种电磁超介质的存在。随后,电磁超介质迅速成为国际微波、光学、电磁学和物理学界的研究热点之一,但大部分研究都是基于D. R.Smith所实现的金属共振型电磁超介质,这些电磁超介质只有固定的物理参数,不具有可调谐性。 本学位论文在国家自然科学基金项目“可控调谐型负折射率微波材料的合成方法及特性研究”的资助下,以外加控制磁场作用时磁导率为负的天然YIG(钇铁石榴石)类绝缘型亚铁磁性材料为基体,在其中嵌入负等效介电常数的金属导体线阵列,合成了一种可调谐电磁超介质,并对这种可调谐电磁超介质的电磁作用机理、传输特性、折射特性等进行了深入研究。主要研究工作以及取得的研究成果如下: 1.改进有效媒质理论,更准确地分析了可调谐电磁超介质的电磁作用机理;完善了在外加控制磁场的作用时,以绝缘型亚铁磁性材料为基体,并在其中嵌入金属导体线阵列构成可调谐电磁超介质的理论体系。 2.利用全电磁波仿真程序模拟了外加磁场下,电磁波在嵌入了金属导体线阵列的绝缘型亚铁磁性材料YIG中的传播特性和折射特性。仿真结果表明只要选择适当参数,在YIG中嵌入周期金属细导体线阵列结构设计电磁超介质的方法在理论上是正确可行的。完成了内嵌金属导体线阵列的YIG类绝缘型亚铁磁性材料中“电磁场—静态磁场—基体材料—金属导体线阵列”之间的互作用效应的定性分析与数值仿真。 3.设计了一整套传输实验方案,改进了实验设备,找到了可行的传输实验样品制作方法,完成了可调谐电磁超介质的传输特性的实验验证。在金属导体阵列等效介电常数为负的特定频段,通过调整外加磁场使绝缘型亚铁磁性材料基体等效磁导率同时为负,观察到了可调谐电磁超介质的双负传输特性,传输通带中心能受外加磁场调控。 4.设计了一整套折射实验方案,改进了实验设备,找到了可行的折射实验样品制作方法,完成了可调谐电磁超介质的折射特性的实验验证。在金属导体阵列等效介电常数为负的特定频段,通过调整外加磁场使绝缘型亚铁磁性材料基体等效磁导率同时为负,记录了不同频率电磁波在可调谐电磁超介质和空气的分界面上的折射角,在微波波段观察到了可调谐电磁超介质的负折射现象。


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