《異向介質(zhì)》PPT課件

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1、第一次作業(yè)一、試根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)（圓柱形）電場(chǎng)方程，推導(dǎo)特征方程為：二、試比較介質(zhì)波導(dǎo)中的模與金屬波導(dǎo)中的模有何不同？第二次作業(yè)：2.圓波導(dǎo)TE波，用位函數(shù)方法求其場(chǎng)分布和功率流這兩次作業(yè)于5月11日交5月4日周五下午停課第16講一.異向介質(zhì)二.光子晶體三.手征介質(zhì)一.異向介質(zhì)預(yù)言及實(shí)現(xiàn)1.1稱謂1.2早期研究進(jìn)展及實(shí)現(xiàn)方法特性應(yīng)用左右手傳輸線雙負(fù)介質(zhì)(DNGmedia：Double-Negativemetamtaterials)，負(fù)折射率介質(zhì)(NIMs：Negative-IndexMaterials；NRI：Negative-Refractive-Index)，左手介質(zhì)(LHM：Lef

2、t-HandedMaterial)，后向波介質(zhì)(BWmedia：Backward-Wavemedia)，人工復(fù)合材料(CMM：CompositeMetamaterial)，孔金甌(KongJA)教授建議其中文名稱為“異向介質(zhì)”光子晶體(PC:PhotonicCrystals)手征介質(zhì)(Chiralmedia)1.1稱謂異向介質(zhì)介紹1金屬導(dǎo)線陣列和開路環(huán)諧振器2用Drude介質(zhì)模型或Lorentz介質(zhì)模型來(lái)等效3傳輸線上加載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感構(gòu)成的復(fù)合介質(zhì)實(shí)現(xiàn)方法實(shí)驗(yàn)制得的左手材料結(jié)構(gòu)左手材料的研制被《科學(xué)》雜志評(píng)為2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展。1.2早期研究進(jìn)展及實(shí)現(xiàn)方法均勻排列的細(xì)

3、金屬開路環(huán)諧振器基本結(jié)構(gòu)單個(gè)諧振環(huán)基本結(jié)構(gòu)1.金屬導(dǎo)線陣列和開路環(huán)諧振器圖2.3D.R.Smith制作出的微波波段的異向介質(zhì)對(duì)稱環(huán)結(jié)構(gòu)S型嵌套結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)的開路環(huán)諧振器1.3實(shí)現(xiàn)方法1.3實(shí)現(xiàn)方法圖2.5Photographofametamaterial(courtesyofDavidSmith,UCSD)均勻排列的細(xì)金屬1.金屬導(dǎo)線陣列和開路環(huán)諧振器金屬陣列的等效介電系數(shù)將遵循下面的形式：(2-1)式(2-1)中ε0為真空介電常數(shù)，ω為入射波頻率，ωp為等離子體頻率，γ為等離子體電子碰撞頻率，σ為金屬導(dǎo)線的電導(dǎo)率。我們可以通過調(diào)整金屬導(dǎo)線周期尺寸a和導(dǎo)線的粗細(xì)d在需要的頻段得到負(fù)的

4、介電系數(shù)。實(shí)現(xiàn)方法開路環(huán)諧振器基本結(jié)構(gòu)單個(gè)諧振環(huán)基本結(jié)構(gòu)1.金屬導(dǎo)線陣列和開路環(huán)諧振器PendryJB和KoschnyT等人同時(shí)指出用開路環(huán)諧振器(SRRs：SplitRingResonators，見圖2-1(b))陣列可以構(gòu)造等效μ和ε為負(fù)的介質(zhì)即(2-2)式中ω’m為磁等離子體頻率；ωm為磁諧振頻率；γ為磁等離子體電子碰撞頻率，表示其損耗特性；ω0為電諧振頻率。同樣通過調(diào)整SRRs的環(huán)寬度w、環(huán)間距s、環(huán)開口g在需要的頻段得到負(fù)的磁導(dǎo)系數(shù)。將圖2-1(a)和多個(gè)圖2-1(b)的SRRs、介質(zhì)板周期排列結(jié)合，可以得到異向介質(zhì)材料，如圖2-1(c)。異向介質(zhì)的介電系數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)可以通

5、過提取S參數(shù)來(lái)求出。實(shí)現(xiàn)方法(a)TE波(b)TM波　　　(c)異向介質(zhì)凹透鏡近場(chǎng)示意圖圖2-11電磁波與異向介質(zhì)制作的棱鏡及凹透鏡的相互作用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)負(fù)折射1.2早期研究進(jìn)展及實(shí)現(xiàn)方法異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)的提取方法下面介紹異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)提取方法(NRW：Nicolson-Ross-Weir)：(2-3)其中相對(duì)波阻抗。當(dāng)平面波垂直入射到厚度為d的介質(zhì)板時(shí)，其反射系數(shù)和透射系數(shù)可以用S參量中的S11和S21可以表示，S11和S21可以分別定義為(2-4)式(2-4)中(2-5)實(shí)現(xiàn)方法為了從計(jì)算所得的平面波垂直入射時(shí)散射參數(shù)提取介質(zhì)的有效介電系數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)，下面介紹一下NRW方法

6、。首先引入(2-6)和下列變量(2-7)從式(2-7)中可以得到(2-8)異向介質(zhì)的S參量是隨頻率變化的，且是復(fù)數(shù)。在介電系數(shù)和磁導(dǎo)系數(shù)的諧振頻率附近，Z和反射系數(shù)Γ的正負(fù)值變化迅速，式(2-8)的正負(fù)號(hào)不易確定。異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)的提取方法我們可以推導(dǎo)Z和反射系數(shù)Γ的另一個(gè)表達(dá)式，即(2-9)從式(2-9)我們可以得到(2-10)異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)的提取方法當(dāng)異向介質(zhì)板厚度較小時(shí)，即，波矢量，，其中k0=ω/c，d代表異向介質(zhì)在傳播方向上的厚度。就可以得到波矢量和相對(duì)磁導(dǎo)系數(shù)的近似解(2-11)(2-12)異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)的提取方法相對(duì)介電系數(shù)和折射率就可以寫為(2-13)

7、波阻抗的平方可以寫為(2-14)合并式(2-12)和式(2-14)，就可以得到(2-15)異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)的提取方法當(dāng)，(2-16)(2-17)異向介質(zhì)有效介質(zhì)參數(shù)的提取方法下面介紹另外一種等效參數(shù)提取的方法：設(shè)平面波入射到厚度為d的異向介質(zhì)平板，根據(jù)計(jì)算得到的散射參數(shù)S11﹑S21結(jié)果可以得到如下恢復(fù)算法，(2-18)(2-19)其中。m=0,±1，±2…是與折射率n實(shí)部分量的支路選取相關(guān)的整數(shù)。因此異向介質(zhì)的等效介電系數(shù)εeff和等效磁導(dǎo)系數(shù)μef