微波异向介质的实验及理论研究

【摘要】：异向介质是本世纪初物理学和电磁学的重要发现,它是等效介电常数和等效磁导率同时为负数的人造介质。异向介质的研究突破了传统电磁场理论中的一些重要概念,它的深入研究成果将在许多领域有重大的应用。异向介质的研究是物理学和电磁学最前沿的课题之一。本论文对周期性排列的金属条和两侧开口的金属谐振环这种典型微波异向介质结构进行了实验和理论的深入研究。 论文实验方面的主要研究工作和创新成果如下: 1、设计制作了体积较大的金属条和金属谐振环的组合结构,研究了电磁波在这种结构中的传输特性。实验证实了当电磁波的电场方向与金属条方向相同,磁场方向与金属谐振环的轴向方向相同时,在一定的频率范围内,介质的等效介电常数和等效磁导率同时为负数; 2、实验研究了位于异向介质中的鞭天线的辐射特性。实验表明异向介质能够使天线的方向性更强。实验还发现了天线的辐射在异向介质与空气的分界面处的负折射现象; 3、设计制作了用于棱镜实验的实验装置,分别用聚四氟乙稀和异向介质构成的三角形棱镜进行电磁波斜入射到介质分界面的实验。实验证实了异向介质和常规介质分界面处的负折射现象。 论文运用三维FDTD方法对电磁波在平板、棱镜和圆柱形的异向介质中的传播进行了计算模拟。针对异向介质的结构特点,在模拟计算中采用了一些新的处理手段和分析模型。例如,在两个方向上设置周期性边界条件以产生理想的均匀平面波和无限大的异向介质。论文完成了以下的模拟计算: 1、运用相位提取技术对电磁波在平板状异向介质内传播时相位的变化进行了计算,给出了明确的相位变化曲线; 2、模拟了电磁波斜入射到异向介质和常规介质的分界面时折射波的传播规律,得出非常直观的折射波传播图; 3、用计算异向介质内的相速和测量折射角两种方法计算了介质不同频率的负折射率,这两种计算方法的计算结果吻合得很好;