耦合超材料粒子电磁特性分析

论文摘要

自从1996年开始,Pendry等人相继提出采用周期性排列的导线和开口谐振环（Split-Ring Resonator,SRR）结构可以在微波频段内产生负的介电常数和磁导率,Veselago沉寂了近三十年的超材料先驱理论再度成为科学界的研究热点。超材料的成功制备引发了各国科学家的高度关注和激烈讨论,其相关研究也被《Science》评为了2003年和2006年年度十大科技进展之一本文以异向介质的电磁特性及应用为研究对象,给出TEM波作用下开口谐振环异向介质的解析分析,揭示了虚波数引起SRR异向介质谐振特性的事实,总结了谐振频率值的理论计算公式；讨论了SRR粒子的耦合特性,分析了其场分布和电流分布,并计算了平面波作用下SRR周期结构的等效介电常数和磁导率；最后对基于SRR粒子填充波导的微波传感器进行了建模与分析。论文的主要内容包括以下几部分：第一部分,分析了超材料单元的传输特性,从SRR粒子谐振特性的解析分析入手,揭示了虚波数引起粒子谐振特性的事实,并通过对等效电路的分析,总结了谐振频率的理论计算公式。第二部分,研究了耦合超材料粒子的传输特性,通过对其谐振特性、场分布及电流分布的分析,得出当两粒子摆向与电场方向平行时谐振频率发生平移,而当两粒子摆向与传播方向平行时谐振频率发生分离的结论。并分析了SRR粒子的周期结构,提取出其等效介电常数及等效磁导率。第三部分,分析了一种基于SRR粒子填充波导的微波传感器模型,并采用全波仿真软件CST分析了传感器的性能,发现在SRR开口内填充介质样品时,传感器谐振频率与样品的介电常数成线性关系。此外,分别计算了SRR阵列和波导内一维SRR粒子的等效介电常数和磁导率,结果表明波导内一维SRR粒子具有负的磁导率；若介质板损耗小或SRR粒子厚度大,单个SRR粒子亦具有负磁导率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 超材料的奇异特性
• 1.2.1 逆Snell折射效应
• 1.2.2 逆Doppler效应
• 1.2.3 逆Cerenkov辐射效应
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 超材料单元的谐振特性分析
• 2.1 超材料单元谐振特性解析分析
• 2.2 超材料单元谐振频率值的理论推导
• 第三章 耦合超材料粒子特性分析
• 3.1 耦合超材料传输特性
• 3.1.1 单个粒子传输特性
• 3.1.2 双粒子电场方向耦合传输特性
• 3.1.3 双粒子传播方向耦合传输特性
• 3.2 平面波激励下SRR阵列的参数提取
• 第四章 超材料粒子填充波导的微波传感器建模与分析
• 4.1 仿真模型
• 4.2 SRR粒子填充波导的传输特性
• 4.3 基于SRR粒子的微波传感器特性
• 第五章 总结及展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的科研和学术成果
• 致谢