基于高介电常数介质的左手材料仿真设计研究

摘要

超材料是指具有自然界中常规介质材料所不具备的特殊电磁性质的人工复合结构材料，包括电负材料、磁负材料和双负材料三种类型。左手材料是其中最重要的一种，电磁波在其中传播时，E、H、K成左手螺旋关系，其介电常数和磁导率都小于0。由于群速度与相速度相反，左手材料具有许多奇异特性，比如负折射、逆斯涅耳定律、逆切仑科夫辐射、逆多普勒频移等，所以左手材料的设计研究引起科学界的广泛关注，成为了研究热点之一。
　　经典物理学中，物质的介电常数和磁导率由微观的粒子、电子引起。左手材料设计中根据等效介质理论，当人工设计的单元结构尺寸远小于电磁波的波长时，可以用单元结构等效的代替复合结构的原子分子，通过设计不同的单元结构可以实现不同的电磁性质。
　　本文介绍了左手材料的基本知识、特殊的电磁性质和研究现状。其次，论文介绍了左手材料设计中常用的等效介质理论和复合左/右手传输线理论，为左手材料的设计提供基本方法和思路。论文的主要工作是利用CST电磁软件仿真设计了两种左手材料，并运用S参数反演法检验了左手特性。第一种左手材料是由介电常数ε=341的SrTiO3球壳和金属线阵列组合而成，在15.15-16.22GHz范围内等效介电常数和等效磁导率都小于0。第二种左手材料以人工陶瓷(BST)为介质，单元结构为相互垂直的三个圆环，仿真计算结果表明在11.1-11.3 GHz之间其表现为左手特性，然后通过棱镜折射实验对其左手特性，并且分析了结构参数对电磁特性的影响。

目录

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摘要

1．绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 左手材料的研究状况及发展

1．3 左手材料的特殊性质

1．3．1 逆斯涅耳折射效应

1．3．2 逆Cerenkov辐射效应

1．3．3 逆多普勒频移效应

1．3．4 完美透镜

1．4 本文结构

2．左手材料基本理论

2．1 左手材料的基本原理

2．2 等效介质理论

2．3 传输线理论

2．3．1 左手传输线方程

2．3．2 等效介电常数和等效磁导率

2．3．3 复合左／右手传输线理论

2．4 本章小结

3．基于高介电常数介质的左手材料设计

3．1 负磁导率的实现

3．1．1 球形结构

3．1．2 球壳型结构

3．2 负介电常数的实现

3．3 左手材料设计

3．3．1 结构设计

3．3．2 仿真分析

3．4 本章小结

4 全介质左手材料设计

4．1 结构设计

4．2 仿真分析

4．3 棱镜折射实验

4．4 尺寸参数对左手特性的影响

4．4．1 环的外径a对左手特性的影响

4．4．2 环的宽度t对左手特性的影响

4．5 本章小结

5．总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

在校期间发表的论文、科研成果等

致谢