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异向介质是一种等效介电系数和等效磁导率同时为负的新型人工电磁材料,具有一系列反常的电磁特性。传统的异向介质材料一般都是基于Pendry教授的金属谐振环阵列和金属细线阵列发展而来,目前已有多种结构的异向介质被设计和制造出来。并且在性能上都各具优点,某些异向介质的部分电磁性能甚至已经非常完善。然而,异向介质的设计不但要求带宽大、损耗小,并且易于加工以及工作频段的可平移性。这些就限制了金属基异向介质的进一步发展。
与之相比,电介质结构异向介质具有金属结构异向介质所不具备的优点,它结构简单,通常由简单的介质球或介质柱构成,制作简单,并且损耗率小,更易于向红外,可见光频段扩展。电介质结构异向介质的设计是本文的主要工作,在研究过程中,通过理论和软件模拟等方法建立了一套系统的研究方案。论文的工作主要涉及以下的几个方面。
1对该新型全介电质异向结构出现负折射性能的研究。
(1)设计新的异向介质并且通过对谐振峰值处的电磁场分析研究该材料在不同的谐振模式下的电磁场的特点,初步得到了在一定的谐振模式下该结构可以形成统一的电谐振和磁谐振,具有负折射性能。
(2)通过单元胞结构与谐振波长的比较肯定了有效介质理论在该结构下的可行性,并用参数提取法得到该材料的电磁性性能色散曲线。由色散图像很清楚的指认了发生负折射的谐振模式。
(3)运用楔形结构来模拟折射场是验证结构负折射性能的主要手段。该部分构建了两种形状相同,结构不同的楔形结构,并运用不同的模拟软件验证了该材料特定模式的负折射性能。
2根据米氏散射理论,电介质颗粒的电磁特性主要受到颗粒尺寸以及其介电系数的影响。该部分的研究也涉及到该结构单元胞下平行板的尺寸以及介电系数的变化对谐振模式的影响。
(1)通过改变平行板的宽度变化研究了结构参数的变化对该材料谐振性能的影响。发现高介电质平板的宽度对谐振峰值和谐振模式有很大影响。
(2)理论模拟了平行板铁电陶瓷材料介电系数对谐振性能的影响。高介电质平板的介电系数增大,各个响应模式所对应的谐振频率向低频方向移动,反之则向高频方向移动。