超材料特性参数理论描述及其验证算法研究

摘要

众所周知，在自然界中绝大部分的材料其介电常数和磁导率均为正值，而电磁超材料作为一种人工合成材料，在一定的频域内其介电常数和磁导率均表现为负值，并具有常规材料所不具备的一些特性。由于这些新颖的特性，科学家对此进行了广泛而深入的研究，并取得了突破性进展。本文通过电磁理论公式的推导、超材料单元的仿真和超材料参数的非线性拟合处理，对超材料进行特性参数理论描述及其验证算法的研究。
　　本文的主要研究内容包括：
　　1.本文以超材料的基本电磁理论为基础，介绍超材料的定义及其电磁特性，对超材料的实现进行论述，并对三种超材料特性参数提取方法进行阐述和分析。
　　2.本文对周期性电谐振单元、周期性磁谐振单元和周期性电磁耦合单元构成的三种不同结构的超材料进行特性参数理论描述。由于谐振单元存在磁反谐振、电反谐振或电磁耦合现象，沿用传统的电磁理论公式会造成极大误差。本文以Maxwe ll方程组的场分析为基础，对超材料进行理论描述。对于介质厚度h很小的超材料，介质中的介电常数和磁导率等效为平面内的电流和磁流，通过线性叠加原理得出的总电场和总磁场确立空间内色散关系，进而理论上得出电谐振、磁谐振结构的超材料特性参数表达式和电磁耦合结构的本构矩阵理论公式。
　　3.本文利用非线性拟合技术，提出了一种基于超材料特性参数理论描述的验证算法。通过S参数逆推法和本文推导的特性参数理论公式，结合非线性拟合技术，分别得到三种不同结构的超材料关于介电常数、磁导率和折射率的曲线图。对特性参数理论值曲线和提取值曲线进行验证分析，发现二者匹配度高、误差小，这不但说明本文提出的基于超材料特性参数理论描述验证算法的有效性，而且验证了本文关于超材料特性参数理论描述的正确性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及其意义

1.2 超材料的研究进展

1.3 超材料的应用发展

1.4 本文主要内容和章节安排

第2章 超材料的基本理论

2.1 双负超材料的定义

2.2 双负超材料的电磁特性

2.3 超材料的实现

2.4 超材料参数提取方法

2.5 本章小结

第3章 超材料特性参数理论描述

3.1 基于周期性电谐振超材料的特性参数理论描述

3.2 基于周期性磁谐振超材料的特性参数理论描述

3.3 基于周期性电磁耦合超材料的特性参数理论描述

3.4 本章小结

第4章 超材料仿真设计和特性参数理论描述验证算法分析

4.1 引言

4.2 电谐振单元特性参数理论描述的验证

4.3 磁谐振单元特性参数理论描述的验证

4.4 电磁耦合单元特性参数理论描述的验证

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间参与的科研项目和研究成果

致谢

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