新型人工电磁材料的电磁特性研究

bb20920d · 发表于 2022-4-5 22:41:44

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以左手材料为代表的人工电磁材料的提出和实现，改变了人们对介电常数和磁导率这两个物理量的传统认识，电磁波在介电常数和磁导率同时为负的媒质中传播具有负折射率、倏逝波放大、逆多普勒等现象，利用这些奇异特性能够实现平板聚焦、天线波束汇聚、完美透镜、超薄谐振腔、后向波天线等功能，在微波和光学领域有着广泛的应用价值。但是这种人工制备的电磁材料具有频带窄，损耗大，加工难等缺点不利于进行各种实验研究以及应用。因此本文提出了一种新型结构的E型左手材料：以E型结构代替了Smith左手材料中的SRR来实现负的磁导率，同时保留金属线阵列来实现负的介电常数，并通过等效模型分析理论详细分析了这个E型SRR，从理论上证实了该结构确实能够得到负的磁导率，并推导出等效磁导率关于频率的函数。随后通过HFSS仿真、传输系数判定法、S参数提取法证明了该结构确实存在左手特性。最后以左手材料实验研究为目的完成了E型左手材料的棱镜折射实验验证了其左手特性，并分析和改进了基于功率流向的折射率定性测试方法，消除了该测试方法仅适用于折射率为的情况的局限性。本文分析了独立的E型结构，发现闭合开口的E型结构能够同时实现负的介电常数和负的磁导率，但是二者不在同一个频段上。因此本文又对E型结构做了一些变形，结合金属线阵列实现负介电常数的原理，加长了E型结构中间的金属线使之在长度方向占满整个单元。这样对尺寸参数做适当的调节后，这个结构就可以作为一个整体在相同的频段上同时实现了负的介电常数和负的磁导率，极大的降低结构的损耗。通过在介质板的另一侧放置同样的E型金属结构（即双面E型结构）扩展了结构左手特性的带宽。本文还以改进的E型结构为基础提出了双通带和多通带的左手材料，并首次发现了金属结构和介质的不同放置方式，或者说金属结构不同介质环境对结构的电磁特性会产生不同的影响。最后总结这些规律并用它们对双通带和多通带左手特性的产生做出了合理的解释。

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