左手媒质的电磁特性研究与左手媒质结构的参数提取

摘要

1967年，苏联科学家Veselago第一次提出左手媒质(LHM)的概念，并预测了其独特的电磁特性，如逆Snell定律、逆多普勒效应、以及左手媒质平板的聚焦功能。Veselago的研究结果直到2001年才得到实验验证。1999年Pendry等人相继提出了用周期性排列的金属棒和开口金属谐振环在微波波段分别实现等效负介电常数和等效负磁导率。2001年Smith等人在Pendry的理论模型基础上，人工制造出一维左手结构和二维左手结构，首次用实验证实了负折射率，发表在《科学》杂志上。之后，国际上展开了大量的关于左手媒质的研究。 由于左手媒质具有负折射系数，使得左手媒质中相位传播方向与功率传播方向相反，于是人们质疑左手媒质违背了时间因果性。本文通过对一个小环天线在均匀媒质里的辐射场的精确分析和数值计算，表明介电常数和磁导率符合Lorentz模型的左手媒质不违背时间因果性。 在频域中，左手媒质平板能够对信号源中凋落波分量的幅度进行放大，对传播波分量的相位延迟进行补偿，所以它能恢复出信号源的全部信息，从而突破传统透镜分辨率的限制。但是真实的信号源含有丰富的频率分量，同时真实的左手媒质其介电常数和磁导率必定随频率变化。人们不禁要问，真实的左手媒质平板在时域中是否能对真实的信号源形成稳定的像点。本文用索莫菲尔积分和FFT方法研究当电流源是高斯脉冲和开关正弦信号时的成像情况，发现倘若电流源含有丰富的频率分量并且在这些频点处左手媒质平板的相对介电常数和相对磁导率偏离-1很远时，难以得到稳定的像点。 与传统传输线相对应，Itoh等人提出了左手传输线。当用微带电路构造左手特性传输线时，由于寄生参数的影响，不存在纯粹的左手传输线，人为构造的左手传输线实际上是左右手传输线的复合体(Composite Left/Right-Handed，CRLH)。ltoh小组对CRLH结构给出了严格的理论分析。基于Itoh的理论，本文建立了一套从S参数提取等效媒质参数和电路参数的方法。分布参数电路和集总参数电路的仿真和计算结果显示，s参数提取方法是比较准确的，并且能对分布参数电路的设计起到指导作用。

目录

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第1章 绪论

1.1左手媒质概念的提出

1.1.1 逆Snell定律：负折射

1.1.2 逆多普勒效应

1.1.3 左手媒质平板能聚焦

1.2左手媒质的研究进展

1.3左手媒质的时间因果性之争

1.4左手媒质能完美成像

1.5 左手媒质的CRLH模型

第2章 左手媒质的时间因果性研究

2.1小环天线的辐射场

2.2 小环天线在频域和时域中的功率流

2.3 时谐场源激励下左手媒质的时间因果性

2.4 瞬时场源激励下左手媒质的时间因果性

第3章 左手媒质平板的成像特性研究

3.1 传统透镜成像的分辨率限制

3.2左手媒质实现超分辨率

3.3平面波在分层媒质中的场

3.3.1 平面波源置于N区

3.3.2 平面波源置于1区

3.3.3 平面波源置于n区

3.4线电流源在分层媒质中的场

3.5瞬时源在左手媒质平板中的成像特性

3.5.1 电流源为高斯脉冲

3.5.2 电流源为开关正弦信号

第4章 CRLH左右手复合结构的参数提取

4.1 CRLH传输线模型

4.2 S参数提取原理

4.2.1 从S参数提取等效媒质参数

4.2.2 从等效媒质参数提取电路参数

4.3集总参数电路提取结果

4.4分布参数电路提取结果

结论

致谢

参考文献

硕士期间发表论文