人工电磁结构对微波的辐射和传播的调控

摘要

人工电磁超材料（Metamaterials），是一种人工构造的材料。通过人为地引入一些共振结构形成周期排列，从而得到自然材料中本不存在的电磁性质。因为这些超材料的特性可以实现人为调控，并且拥有许多独特的物理性质，所以在电磁学的发展应用中受到广泛关注，在物理学和材料学领域都是热点研究对象之一，具有很重要的研究意义。
　　本文研究的主要内容：
　　①首先，我们介绍了人工电磁超材料的理论基础，解释了介电常数和磁导率两个参数对其特性起决定作用的原因。当介电常数和磁导率均为负数时，表现为左手材料的特性，当介电常数和磁导率均为零或其中一个为零时，表现为零折射率材料的特性。我们分析了零折射率材料的产生机理，研究了材料的几何结构参数对S参数的影响。另外我们还特别介绍了亚波长金属孔阵列的异常透射现象，其产生原因为超材料激发人工表面等离激元。并由此延伸简单介绍了人工表面等离激元。
　　②零折射率材料对波前相位的改善。设计一种高功率金属网格材料天线透镜。通过数值模拟，我们发现零折射率材料透镜覆盖于一KU波段喇叭天线口面时可以改善喇叭天线波前相位，将喇叭天线的球面波前相位调制为较均匀的平面波，增益可提高2.27 dB，喇叭天线的功率容量可达到610 MW，实现了高性能的小型化天线。并简单介绍了两类贴片材料，以及零折射率材料最近几年用于相位匹配方面的进展。
　　③基于人工表面等离激元的超透射现象模拟。主要利用调控亚波长孔阵列超材料几何结构参数，激发局域人工表面等离激元，诱导异常光透射现象。本文解释了三种被认可的超透射现象的机理：人工传导表面等离激元、人工局域表面等离激元和复合衍射倏逝波。利用有限元方法研究了理想导体薄膜中齿状孔阵列在微波频段的超透射现象。齿状结构的引入使得孔阵列的透射谱发生红移，在更深的亚波长区实现全透射。近场分析表明分布在齿状孔上的局域态对红移起了关键作用。发现单个齿状孔支持人工局域表面等离激元多极子模式，而与超透射相关的是偶极子模式。该研究方案可以推广到红外与太赫兹频段。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 超材料的历史现状及意义

1.3 本文内容安排

2 人工电磁超材料理论基础及特性

2.1 人工电磁超材料的理论基础

2.2 左手材料的电磁特性

2.3 零折射率材料材料理论基础及特性

2.4 超材料中的人工表面等离激元

3 基于零折射率材料对波前相位的改善

3.1 引言

3.2 零折射率材料对波前相位影响

3.3 覆盖零折射率材料后的功率容量

3.4 零折射率材料的其他结构形式

3.5 结论

4 基于人工表面等离激元的超透射现象

4.1 引言

4.2 异常透射物理机制

4.3 人工局域表面等离激元诱导的超透射

4.4 总结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：