利用有源超材料调控电磁波传播特性的研究

摘要

近年来，关于左手材料、近零折射率材料、光子晶体等人工电磁超材料的研究与应用越来越引人关注。其独特的电磁特性（如近零折射率、负折射率等）必将被广泛应用于天线卫星、军事武器材料、微波与毫米波电路元件、军事隐形等领域。而在这些研究与应用中往往出现许多独特的行为，因此电磁波在媒质界面及其内部的传播行为成为一个热门的研究方向。
　　通常，介电常数和磁导率这两个电磁参数往往被用于研究电磁超材料的特性。本文通过对这两个物理量及其波阻抗此处为公式省略的调控，与左手材料、近零折射率材料、光子晶体等人工电磁超材料特性作对比，对电磁波在阻抗实部为零的有源超材料（ZRPIM）表面及其内部的传播特性进行了研究。
　　首先探讨了在阻抗实部为零有源超材料表面电磁波异常的反射特性，通过建立光疏媒质到光密媒质（且为ZRPIM）的理论模型，并基于麦克斯韦方程组和反射折射关系式，考察了在ZRP IM表面上电磁波出现的全角全反射、反射增强行为。然后探讨在在阻抗实部为零有源超材料平板内电磁场能量转化与电磁波传播特性，发现正是由于平板中前向波和后向波之间的相互干扰，或称坡印廷矢量的交叉项起着主导作用，从而导致奇异行为的出现。通过对瞬时能流密度、电磁能量损耗密度、电磁场储能密度等参量特性之间关系的仔细考虑，推导出▽·[S(z,t)]（坡印廷矢量的梯度）和We,m(z,t)（电场做功和磁场做功之和）的相等关系，验证了能量守恒定律，也进一步表明了此理论模型的自洽性。最后通过调节介电常数和磁导率分别对具有低阻抗实部有源超材料特性的无损材料、有损材料、增益材料进行了数值模拟，初步验证了正是由于此交叉项而导致的一些新颖特性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1电磁超材料研究背景

1.2电磁波反射和折射理论研究背景

1.3电磁波全反射研究背景

1.4本文的研究内容和章节安排

第二章 电磁波传播的基本理论

2.1麦克斯韦方程

2.2边界条件方程

2.3电磁能量和能流

2.4电磁波的反射折射特性

2.5本章小结

第三章 阻抗实部为零有源超材料表面电磁波异常反射特性

3.1平面电磁波在阻抗实部为零有源超材料表面反射特性

3.2理论现象预测和实验建议

3.3数值模拟

3.4本章小结

第四章 低阻抗实部有源超材料中电磁场储能密度与电磁波传播特性

4.1媒质中能量密度与能量关系式

4.2平板中坡印廷矢量交叉项对电磁波传播特性的影响

4.3本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢