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结构单元与左手材料性能关系研究

张富利  
【摘要】:左手材料(Left-handed metamaterials,LHMs)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工复合结构材料,由于其中传播的电磁波的相速度和群速度方向相反,从而表现出一系列反常的电磁特性。如反常Doppler效应、反常Cherenkov辐射、反常Goos-H(?)nchen位移、负折射效应和完美透镜效应等。LHMs的发现被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一,是当前物理与电磁学研究领域中的前沿与热点问题。本论文主要研究了微波段波导管LHMs和空间LHMs材料的设计、制备以及结构参数、材料电磁参数、单元间相互作用对其性能的影响,论文创新和有价值的工作涉及以下几个方面: 1.使用模具法设计制备了由六边形开口谐振环(Split ring resonators,SRRs)和金属棒(Rods)周期排列而成的LHMs,数值仿真和实验研究了开口位置、开口大小、内外环间距对SRRs电磁谐振行为的影响,进而指导LHMs的制备。 2.利用电路板刻蚀技术制备了六边形开口谐振环(SRRs)和金属杆(wires)周期排列而成的LHMs。采用Microwave Studio数值仿真了一维金属杆长度、厚度、线宽、晶格常数和基板介电常数对金属杆电磁谐振行为的影响。实验和模拟了排数对二维金属杆阵列的影响。 3.实验研究了介质基板对LHMs左手特征透射峰影响。发现左手透射峰随基板的介电常数的增大而向低频移动,左手透射峰的移动是由于SRRs谐振频率的降低导致的。 4.采用电路板刻蚀技术设计制备了基于网格型金属杆空间LHMs,与普通金属杆空间LHMs对比发现,对较小尺寸的空间LHMs而言,网格型金属杆LHMs有较好的左手特性。 5.设计了基于工字形杆(Capacitviely Loaded Strip,CLS)空间LHMs,数值仿真了结构参数、基板电磁参数以及不同极化方式电磁场对CLS的电磁谐振行为的影响。 6.采用Microwave Studion设计了CLS与SRRs共面和异面两种LHMs,数值仿真了CLS与SRRs间的相互作用,发现SRRs不仅具有磁谐振,而且还可以发生电谐振并促使CLS的等离子体谐振频率向低频移动。而CLS对共面的SRRs的磁通量有削弱作用,并使其磁谐振频率向高频移动,导致SRRs谐振峰与左手材料透射峰的错位。但是对于异面分布的SRRs则无影响。


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