左手介质中电磁波的传播速度

在同向介质中,电磁波的群速度一般是能量传播的方向,并且电磁波的相速度和群速度在大部分情况下都满足瑞利关系.为了研究左手介质的电磁特性,本文从理论上导出了左手介质中电磁波的相速度、群速度及其关系,得出左手介质中电磁波的群速度为负,并介绍了左手介质的一些应用前景.     

谈谈“左手材料”

 “左手材料”(left-handedmaterials)是指在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同,比如光在左手材料中的行进方向与能量传播的方向相反、完全相反的折射定律等等,“左手材料”颠覆了一般材料中所普遍遵循的“右手规律”。早在1968年,俄罗斯理论物理学家维西拉格(Veselago)就对电磁波在介电常数ε和磁导率μ同时为负数的介质中的传播及相关特性作过理论上的研究,但由于当时自然界中并没有发现这类介质材料,所以他的研究结果一直没有得到实验上的直接验证,人们对左手材料的兴趣也因此降温。     

基于双Z形金属条的双入射型左手材料研究

提出了一种新型二维左手材料结构单元,该结构由介质板及其两侧放置的两个反向对称的Z形金属条组成.在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下,这种结构单元于X波段均表现出左手通带特性.通过模拟仿真,提取等效电磁参数,建立等效磁谐振电路模型,分析验证了该结构的左手特性.并将双Z形结构与相似的工字形结构相比较,发现在电磁波垂直入射时两种结构均出现相似的左手通带,而在电磁波平行入射时,只有双Z形结构实现了双负特性.结果表明这种双Z形左手单元结构具有更优越的电磁波入射适应特性,即实现了双入射型左手结构单元. 关键词： 双Z形结构 二维 左手材料 双入射     

基于蘑菇型结构的双入射超宽带复合媒质材料设计与分析

通过设计一定的单元结构, 可以实现超宽带人工电磁材料. 基于蘑菇型金属结构, 提出了一种同时具有左右手通带无缝结合的超宽带双入射型复合媒质材料结构单元. 该结构由嵌入到介质板的两个反向对称的蘑菇型金属结构组成, 能够同时引发电谐振和磁谐振而得到左手通带. 通过利用CST软件仿真、等效电磁参数提取、折射率计算以及建立等效磁谐振电路模型等方法, 分析验证了该结构的双入射特性和左手特性. 仿真结果表明, 在电磁波垂直于介质板和平行于介质板入射两种情况下, 在X波段均表现出左手通带特性, 并具有1 GHz以上的左手带宽. 当电磁波垂直于介质板入射时, 在7.2 GHz-9.3 GHz频段为右手通带, 在9.3 GHz-11 GHz频段为左手通带; 当电磁波平行于介质板入射时, 在7.0 GHz-9.0 GHz频段为右手通带, 在9.0 GHz-10 GHz频段为左手通带. 在两种情况下分别于9.3 GHz与9.0 GHz处得到了零折射率, 从而构造了一种正-零-负复合媒质材料, 实现了具有3 GHz带宽的双入射超宽带平衡结构.     

非线性左右手媒质界面的Goos-H(a)nchen位移

由均匀平面电磁波在左右手媒质界面满足的切向边界条件出发,推导了电磁波由线性传统媒质入射到非线性左手媒质时波的传播特性.利用时间延迟的方法,给出全反射情况下媒质界面非线性Goos-Hǎnchen位移表达式.分析了非线性左手媒质界面的侧向位移随入射角及入射波电场强度的变化关系,发现入射波场强对传输特性起决定作用:当入射波电场小于临界场强时,调节入射场强可以控制相应的侧向位移;当入射波电场大于临界场强时,不再满足全反射条件,部分入射波透射到非线性介质中.波导中加入非线性介质不仅可以调节侧向位移的大小,且可以实现对入射波场强的控制.     

基于双Σ形金属条的双向左手材料

提出了一种基于双Σ形金属条的双向型左手材料结构. 该结构由介质基板和两个反向对称放置在介质基板两侧的Σ形金属条构成, 在电磁波平行入射和垂直入射两种情况下, 都能够实现双负特性(ε<0, μ<0) . 通过利用HFSS软件仿真、等效参数提取, 分析验证了该结构在X波段具有双向特性和左手特性. 该结构的双向特性拓宽了电磁波的入射角度, 对左手材料的多维化和多向化发展提供了参考价值. 关键词： 左手材料 双Σ形金属条 双向     

基于双梯形金属条的二维超材料性能分析

提出了一种基于平行金属条和细金属线的双梯形二维超材料结构单元.该结构由介质板以及其两侧放置的一对反向对称梯形金属条组成.与传统二维超材料相比,该结构在电磁波平行入射时具有双左手频带特性,在电磁波双向入射情况下具有良好的左手频带拓展性,且结构易于制备.利用电磁仿真软件分别模拟电磁波垂直入射和平行入射条件下该结构的电磁性能.结果表明:该结构在两种入射情况下均能实现双负特性;梯形上底每增大0.5mm,双入射情况下结构的双负特性分别向高频移动0.2GHz和0.4GHz.该研究对基于平行金属条的左手材料的研究以及二维左手材料的发展具有参考价值.     

基于DGS和双层SRRs结构的左手介质微带线的设计

基于DGS结构和双层SRRs结构，提出了一种工作于双频段的微带线结构的新型左手介质，它除了频带宽和损耗小外，还具有体积小、结构简单便于加工的优点. 基于电磁波在微带线上的传输和反射数据，分别计算了左手介质微带线的有效介电常数和有效磁导率，并进一步得到了电波在微带线上传播时的波数随频率的变化曲线，结果表明文中讨论的左手介质微带线确实在较宽的频段上表现出后向波特性，从而证实了左手介质的存在. 关键词： 左手介质 宽频带 电小单元 后向波效应     

如何正确运用介电常数处理导电介质电动力学问题

在我国电动力学教材中关于导体存在时电磁波传播的讨论,绝大多数是从绝缘介质入手,然后借助电导率引入复介电常数来描述导体中电磁波的传播特性.这样的处理使得导体中电磁波传播波动方程形式与绝缘介质完全一致.然而不少教材在相关章节忽视了对这里复介电常数物理涵义的剖析,容易让学生误以为这里引入的复介电常数即是金属导体在ω≠0情况下所表现出来的电磁性质;其次,大部分教材混淆了良电导介质和金属导体对电磁波高反射特性在机理上的差异.本文中作者对采用复介电常数处理导体电动力学相关问题做一些分析,并提出一些建议,供同行在教学中参考.     

基于左手介质后向波特性的微带天线小型化研究

基于色散性稳定、频带宽、电尺寸小的左手介质结构单元，设计了一种左手介质和传统介质相结合的微带天线基板结构，利用左手介质的后向波效应对传统介质中传播后的电磁波进行相位补偿，从而实现微带天线小型化设计.理论计算和数值仿真结果表明，工作于4.7 GHz的微带天线的物理尺寸被减小了37.92%，突破了传统微带天线的半波长要求的限制，而小型化的微带天线的增益、带宽等性能方面与传统天线相当，证明了用左手介质小型化微带天线的可行性和实用性.     

非线性左右手媒质界面的Goos-Hänchen位移

 由均匀平面电磁波在左右手媒质界面满足的切向边界条件出发,推导了电磁波由线性传统媒质入射到非线性左手媒质时波的传播特性。利用时间延迟的方法,给出全反射情况下媒质界面非线性Goos-Hänchen位移表达式。分析了非线性左手媒质界面的侧向位移随入射角及入射波电场强度的变化关系,发现入射波场强对传输特性起决定作用:当入射波电场小于临界场强时,调节入射场强可以控制相应的侧向位移;当入射波电场大于临界场强时,不再满足全反射条件,部分入射波透射到非线性介质中。波导中加入非线性介质不仅可以调节侧向位移的大小,且可以实现对入射波场强的控制。     

电磁波在左右手介质界面折射与反射特性的研究

研究了电磁波在左右手介质界面折射与反射的特性,给出了折射系数和反射系数,从另外一个方面探讨了最小作用量原理在左手材料中的适用性;从电动力学和最小作用量原理证明了Snell定律,验证了Snell定律在左手材料中的适用性,并且得到Fresnell公式在左右手材料中的一致性.     

折射率正负梯度交替表面的研究

利用不均匀材料提出了一种折射率正负梯度交替表面, 并利用几何光学法和电磁场数值仿真方法对其机理进行了研究与验证, 发现其可以操控电磁波的传播: 在一定的参数下, 其可以将空间中的入射电磁波一直束缚在介质中, 或在介质中传播一定距离后再实现电磁波的释放; 同时该结构具有宽带、极化无关等特性. 利用该结构可引导能流, 减小后向散射截面, 可用作隐身表面.     

Metamaterials电磁特性的数值仿真研究

利用HFSS软件，对电磁波在左手材料中的后向波传输、平板成像特性和近零折射率媒质的定向辐射特性进行了全波仿真研究，分别验证了左手材料与近零折射率媒质的上述特性。利用AnsoftDesigner软件，对去掉并联电感和去掉串联电容的、基于微带线的两种简化的左右手复合传输线构成的具有磁单负和电单负特性介质的电磁特性进行了仿真研究，验证了电磁波在匹配的MNG-ENG介质对结构的隧穿特性。     

电磁波在负折射材料填充的3层平板波导中的传播特性

从电磁场理论出发对负折射材料填充的3层平板波导的传播特性进行研究,并进行了数值计算,分析TE和TM波在平板中传播的性质,得到了电磁波的模式方程,与电磁波在右手材料填充的平板波导中的传播特性做了对比,考察了TE模式的能流密度,进行了归一化计算。结果分析表明：基模、一阶模不存在,且任何模式都存在一个截止厚度,随着厚度的增大,模式数量也增多;在一定的入射频率下,平板薄膜厚度趋向一定数值时,可以同时传播多种模式的波,并且入射波频率越高,波导同时存在多种模式的可能性越大;与右手材料相比,左手材料填充相同尺寸的3层平板波导可以传播更高能量的电磁波,导波效果更好。     

基于介质谐振器原理的左手材料设计

本文通过对高介电常数介质基于介质谐振器理论进行分析,明确了利用高介电常数介质产生负介电常数或负磁导率的途径在于介质中产生具有Lorentz谐振形式的电磁响应的电偶极子或磁偶极子,指出了这种偶极子的产生来源于电磁波在介质中形成的驻波,而左手通带的形成正是由于电偶极子和磁偶极子之间的相互影响,破坏了驻波形成的条件所实现的. 模拟结果表明,通过将尺寸相同,介电常数不同的介质进行组合,使二者电谐振和磁谐振的频率点重合从而实现左手通带,最后利用高介电常数,低损耗的陶瓷进行样品制作并测试,测试结果证实了基于这一原理实 关键词： 全介质左手材料 介质谐振器 磁偶极子 电偶极子     

左手系材料界面上的非线性TE电磁波

针对电磁波在非线性左手系材料中的传播性质, 分别研究了左、右手系材料界面以及两左手系材料界面上非线性TE表面波的传播行为讨论了导波的频率特性、色散关系以及群速度随频率的变化规律分析表明,两种界面上的非线性TE表面波均存在频率通带和禁带,且带宽是传播功率的函数揭示了在一定条件下,左、右手系材料界面上既可以支持正向传播的非线性TE表面波,也可以支持反向传播的非线性TE表面波;两左手系材料界面上表面波的传播性质因材料参量的变化差异较大,一定参量条件下,该界面上仅支持反向传播的非线性TE表面波.     

几何光学 其他

O4352006053870关于左手性介质几何光学的研究(1)=Study of geomet-rical optics onleft-handed material(Ⅰ)[刊,英]/林志立(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,光及电磁波研究中心.浙江,杭州(310027)),胡建东//光子学报.—2006,35(6).—893-897根据几何光学中的费马原理和完善成像原理研究了光线经过正负折射率界面时的传播特性,推导了单负折射率完善成像的曲面方程,讨论了单块负折射率透镜成像特性的一些缺陷及改进方案,依此指出了最短时间原理的适用范围的局限性和利用左手性介质制作光学器件的优越性,为进一步研究左手性介质的光学…     

新型小型化的平面左手介质微带线及其后向波特性验证

基于裂缝谐振环结构的降频技术,首先设计了一种电尺寸较小的左手介质微带线单元,并根据电磁波在微带线上的传输和反射数据,分别计算了左手介质的有效介电常数和有效磁导率.之后针对左手介质八元阵列进行三维电磁仿真实验,结果表明该八元阵列在左手介质频段上具有独特的后向波效应,从而证实了该左手介质频段的存在.与传统的左手介质微带单元相比,阐述的左手介质单元的电尺寸减小了60%,而且结构简单,便于加工,适用于平面电路器件的小型化等应用研究工作. 关键词： 左手介质 小型化 双负特性 后向波特性     

新型小型化的平面左手介质微带线及其后向波特性验证

基于裂缝谐振环结构的降频技术，首先设计了一种电尺寸较小的左手介质微带线单元，并根据电磁波在微带线上的传输和反射数据，分别计算了左手介质的有效介电常数和有效磁导率.之后针对左手介质八元阵列进行三维电磁仿真实验，结果表明该八元阵列在左手介质频段上具有独特的后向波效应，从而证实了该左手介质频段的存在.与传统的左手介质微带单元相比，阐述的左手介质单元的电尺寸减小了60%，而且结构简单，便于加工，适用于平面电路器件的小型化等应用研究工作.