左手材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和特性設(shè)計(jì).pdf

1、左手材料(Left-handed metamaterials,LHM)是一種有效介電系數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人工電磁材料,表現(xiàn)出一系列反常的電磁特性,如反常Doppler效應(yīng)、反常Cherenkov輻射、反常Goos-H(a|¨)nchen位移、負(fù)折射效應(yīng)和完美透鏡效應(yīng)等。LHM的發(fā)現(xiàn)被美國《科學(xué)》雜志評為2003年度十大科技突破之一,《今日材料》將其列入近50年中十大進(jìn)展,是當(dāng)前物理與電磁學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿與熱點(diǎn)。當(dāng)前對左手材料的研究主

2、要集中在新型左手材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和左手材料的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。從第一個(gè)在4.2GHz~4.6GHz具有負(fù)折射特性的金屬諧振環(huán)線結(jié)構(gòu)左手材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后,不斷有新的結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)研究,其中有高介電系數(shù)電介質(zhì)結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和表面等離子體漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)等,負(fù)折射的頻帶也從GHz擴(kuò)展到THz和近紅外,為實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。左手材料的是由單元結(jié)構(gòu)周期排列組成。單元結(jié)構(gòu)在電磁波的激勵(lì)下,當(dāng)單個(gè)單元結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)小于響應(yīng)頻率波長時(shí),單個(gè)單元結(jié)構(gòu)可以近似看作

3、這個(gè)結(jié)構(gòu)的原子,這個(gè)復(fù)合材料可以看成是均勻介質(zhì),具有有效的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率,單個(gè)結(jié)構(gòu)單元在響應(yīng)頻段下的電磁響應(yīng)可以反應(yīng)出整體結(jié)構(gòu)的電磁特性。左手材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本文的主要工作。在研究過程中,通過理論和數(shù)值模擬等方法建立起一套系統(tǒng)的研究方案:通過單個(gè)單元模型的建立,S參數(shù)提取,有限差分法對結(jié)構(gòu)的電磁場分析,在全波下楔形模型數(shù)值模擬折射場,從理論到數(shù)值模擬研究左手材料的電磁特性。通過對金屬劈裂環(huán)的電磁響應(yīng)研究,設(shè)計(jì)了雙層對置金屬劈裂環(huán)結(jié)構(gòu),根

4、據(jù)電磁場和諧振模式的分析,得出在兩個(gè)頻段該結(jié)構(gòu)具有負(fù)有效介電系數(shù)和磁導(dǎo)率,全波下楔形模型數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了這個(gè)結(jié)論?？烧{(diào)整響應(yīng)頻帶的左手材料是研究方向之一。根據(jù)向列型液晶的特性,提出了金屬劈裂環(huán)加液晶的三明治左手材料結(jié)構(gòu),將優(yōu)化的金屬環(huán)線結(jié)構(gòu)單元與液晶相結(jié)合,通過外加電場調(diào)節(jié)液晶的介電系數(shù),通過改變負(fù)的磁響應(yīng)使該結(jié)構(gòu)負(fù)折射響應(yīng)中心頻率可在一定范圍內(nèi)較方便、反復(fù)的調(diào)整,通過模擬仿真和理論分析證明這是一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)模型,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。