基于手征结构超材料电磁波极化调控的研究

摘要

电磁超材料作为一类新型的具有奇特性质的人工电磁材料，在电磁学研究领域掀起了一股新热潮。其在通信、导航、雷达、医学成像等领域有重要的应用前景，这也加速了电磁超材料的进展。由于电磁超材料具有调控光电信息的巨大潜力，因此超材料的制备、光学特性及其应用成为了当前的研究热点。
　　本文主要研究基于手征结构超介质极化调控材料的模型设计，通过理论分析、数值仿真和实验测试来分析手征材料模型的电磁特性，寻找简单有效的超材料模型结构对电磁波进行极化调控，本文设计了三种结构的超介质材料模型。
　　第一种是简单开口谐振环(SRR)结构的人工异向材料，是由开口谐振环、介质基板和金属板结合成的三层复合结构，可以对反射电磁波进行极化调控，即将入射的线极化波转换为圆极化波、椭圆极化波以及与入射波极化模式垂直的线极化波。
　　第二种模型是一种基于不对称平面螺旋结构的极化调控手征材料，由电介质基板和覆于基板正反两面非对称的螺旋金属结构组成。仿真结果表明，当线性极化波透过该材料后，在15.25GHz和15.93 GHz附近分别转换为左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)，在18.09GHz附近可转换为右旋椭圆极化波。分析旋光角和椭偏度的变化证明了所设计的手征材料获得了较好的圆二色性和旋光性。
　　第三种模型是一种新颖的多频极化调控手征材料，该材料在低损耗的情况下，可对透射线极化波进行调控，即在14.28GHz和15.96GHz能够接收到RCP波，而在15.3GHz和16.88GHz能够接收到LCP波。通过对该材料表面电流的分析，得出该结构产生类似电偶极子和磁偶极子的现象，这给出了另一理论支撑。此外进一步通过实验测试后得出，实验测试结果与仿真结果吻合较好。通过对手征该材料反演，计算其传统折射率、左旋圆极化波和右旋圆极化波折射率、手征参数、等效介电常数和等效磁导率，验证了设计的模型是负、零折射率材料。
　　通过对手征结构超材料电磁波极化调控的研究，说明超材料在电磁防护和电磁兼容等方面具有广阔的应用前景和重要的研究价值。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 超材料的简介

1．1．1 超材料的提出

1．1．2 超材料的基本性质

1．2 超材料的研究概况

1．2．1 传统超材料的研究

1．2．2 手征结构超材料的研究

1．3 本文结构

2．手征结构超材料的理论研究

2．1 电磁波的极化形式及其应用

2．1．1 线极化波

2．1．2 圆极化波

2．1．3 椭圆极化波

2．1．4 电磁波极化的应用

2．2 手征材料实现电波极化调控

2．3 极化调控理论

2．4 基于负折射率手征材料极化调控理论

2．4．1 手征材料的手征性

2．4．2 手征材料的负折射率理论及其反演

3．超材料用于电磁波极化调控的仿真设计

3．1 人工异向介质调控电磁波极化特性的仿真设计

3．1．1 开口谐振环结构电磁波反射极化调控模型

3．1．2 基于无损介质开口谐振环结构

3．2 基于螺旋手征结构超材料对透射波的极化调控

3．2．1 模型的设计

3．2．2 仿真结果与分析

3．3 本章小结

4．基于零、负折射率手征材料对电磁波的极化调控

4．1 基于阿基米德螺旋结构手征材料的模型设计

4．2 阿基米德螺旋结构手征材料仿真与实验理论分析

4．2．1 透射系数谱

4．2．2 共极化透射系数和交叉极化透射系数

4．2．3 圆二色性和光学活性

4．2．4 等效电磁参数

4．2．5 单元结构表面电流分析

4．3 本章小结

5．总结与展望

参考文献

在校期间发表的论文、科研成果等

致谢