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[转载]08全国优博论文：异向介质等效电路理论及实验的研究

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0楼发表于: 2008-07-01 00:15:15

中文摘要

异向介质的研究是近年来迅速发展起来的前沿交叉研究领域，异向介质的应用对未来科技、经济和社会发展将产生重要影响。由于其潜在的利用价值和广泛的应用前景，异向介质的发现被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一。为了克服异向介质在发展过程中碰到的一些瓶颈，本文主要对异向介质的实验及相应的理论进行了研究。
异向介质的电磁参数特性具有很多种不同的形式，用来概括异向介质的宏观电磁参数的物质本构方程可以由如下最基本的形式表示：

其中、、和表示的是介质在各个方向电磁特性的张量，由于它们的某些变量可以为负值，电磁波在这类介质中传播将具有不同寻常的特性。Veselago在1968年系统地研究了电磁波在如下各向同性异向介质( 与同时为负)中传播的情况：

从理论上得出了这类介质所具有的奇特的电磁特性，如：逆斯涅尔折射效应、逆多普勒效应、以及逆契仑可夫辐射等等，由此奠定了当代异向介质理论研究的基础。然而，由于自然界中找不到这种物质，Veselago的研究结果一直没有引起科学家的重视。直到最近，第一块具有这种不同寻常特性的人工介质的出现才重新唤起了科学家对这个研究领域的兴趣，异向介质的研究也迅速地成为了当前微波与光学领域中的前沿与热点问题。
从异向介质研究的发展历程可以看出，实验工作的重要性非常明显。首块人工异向介质的实现促使人们迫切的去研究它不同于传统媒质的各种“异向”效应与“奇异”特性以便于更好地用于实践。但是相对于理论研究工作，有关异向介质的实验研究要少得多，其主要的一个原因是性能良好的异向介质样品的缺乏，成为了异向介质实验验证、测量、以及得以大量应用的瓶颈。本文作者正是基于这个目的，致力于寻求异向介质材料及其潜在的应用研究，开展了大量的实验研究工作，通过研究异向介质的内部机理，来探索实现性能良好的异向介质材料的可行性。我们采用实验的手段，通过分析、改变、优化异向介质微观结构实现了多种新型的具有特殊性能及有特定应用的异向介质，如性能稳定的S型异向介质、超宽带异向介质、多通带异向介质等等，并且在此基础上，提出了用于研究不同异向介质结构的宏观电磁特性的等效电路模型。我们同时也对验证异向介质宏观电磁特性的实验方法做了系统的研究，提出了新型的T型波导实验验证方法。本文的研究工作拓宽了异向介质材料研究的思路，填补了异向介质领域实验研究的空白，具体研究成果归纳如下：
1．提出并实现了新型的基于S结构的异向介质，突破了传统的异向介质材料需要同时采用开路谐振环与金属棒两种单元实现的思维局限。理论、仿真以及实验结果表明：与传统的Smith设计的SRR/Rod结构相比，S型异向介质结构具有很大的优越性，主要表现在：(1)巧妙地降低了电谐振频率，因此不需要额外的金属棒阵列就能达到在某个频带内介电常数和磁导率同时为负的目的，使介质的制造更加简便；(2)由于S型异向介质结构简单，降低了电磁波在介质中传播时由于散射引起的损耗；(3)由于增加了S样品与上下波导壁之间的等效电容，除去了SRR/rod结构所存在的与波导壁是否接触的敏感性问题，使负折射的现象更加稳定。
2．设计实现了超宽频带的砖墙型异向介质结构样品，实验结果表明其带宽比率达到了37.5%，相比于Smith等在Science上报道的首块异向介质材料(相对带宽为0.56%)，在通带上提高了近67倍，解决了异向介质的应用受制于频带过窄的瓶颈，也是当时已报道负折射率频带带宽最宽的异向介质结构。
3．提出了多通带异向介质设计思路，首次实现了多通带异向介质的样品。在分析异向介质工作原理的基础上，引入多个回路结构，从而使异向介质在多个通带内表现出负的电磁参数特性。同时总结了设计多通带异向介质结构的三种方法：(1)改变环路的等效电容和电感从而在负介电常数通带内引入多个磁谐振频率；(2)对应地，也可以在负磁导率通带内引入多个电谐振频率；(3)在单纯通过改变环路的等效电容和电感不能满足要求时，可以通过增加额外的环路来引入更多的谐振频率。
4．在基于大量新型异向介质结构的实验研究基础上，提出了能够准确分析各类异向介质结构宏观电磁特性的等效电路模型，把异向介质不同单元之间的耦合归纳为一个互感系数来表述。通过与仿真结果的对比，引入的电路模型比没有引入的模型精确。本文提出的等效电路模型不但可以分析已发表的一维SRR结构，包括含有多个电流环的结构,如S型谐振器及其各种衍生结构、型谐振器，等等；同时还可以直接应用到多维的SRR结构，如二维交叉SRR结构、二维交叉型、S型谐振器等，因而是一种普遍适用的分析、理解异向介质电磁效应、提取异向介质等效电磁参数的方法。反过来，等效电路模型也可以作为一个工具来指导设计具有特殊性质的异向介质结构。
5．提出了验证异向介质电磁特性的T型波导实验方法，并对异向介质实验方法作了系统的研究。实验结果表明当T型波导为空时，与入射端口相对的出 ..

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