新型人工电磁材料平板透镜天线设计与实验

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1、第一章绪论第一章绪论1．1新型人工电磁材料的发展微波是现代社会不可或缺的科技之一，它在通信、雷达、遥感测最和医学系统上有着重要的应用。微波技术的理论基础是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)在1873年用式1．1建立起来的现代电磁理论，亨瑞克赫兹(HeinrichHertz)于1887年利用实验证实了麦克斯韦预测的电磁波确实存在。二战期间，对于雷达应用的迫切需要促使微波技术迅猛发展【Il。一般认为微波技术是相当成熟的学科，然而在频率很高的毫米波和亚毫米频段的应用、微波单片集成电路(MIC)、超宽带／d,型化的个人

2、通信系统、新型人工电磁材料等方面，微波技术仍然生机勃勃。新型人工电磁材料(Metamaterials)是山尺寸远小于波长的电磁谐振单元按一定排列方式组成的周期或非蒯期阵列。它具有自然界中的媒质所没有或者难以实现的电磁特性。1968年，苏联物理学家V．GVeselago首次提出，在介电常数与磁导率同时为负的媒质中和双负媒质与正常媒质交界面上，波的传播会呈现一些新现象，即逆多普勒频移逆、Cerenkov辐射、负折射和双负媒质平板成像【3J。1996年，伦敦帝国理工的Pendry教授提出了利用金属线实现微波段的电等离子体，即介电常数为负的媒质【4

3、】。紧接着Pendry教授在1999年提出利用双开口圆环结构(SplitRingResonator，简称：sgg)实现负的磁导率媒质p】。2001年，加州大学圣迭戈分校(UCSD)的Smith教授利用双开口环和金属线构成双负媒质棱镜，验证了X波段负折射现象16l。2000年Pendry教授提出了负折射率平板作为透镜能够完美成像，并指出金属银薄膜在可见光可实现这种完美透镜【7J。负折射率平板凭借其放大倏失波(EvanescentWave)的能力，使像点具有传播波和倏失波的信息，打破了成像分辨度极限二分之一波长，可实现亚波长成像。这一具重要应用

4、意义的物理现象，在2005年由加州大学伯克利分校的ZhangXiang教授及其课题组实验验证”J。这个实验采用银膜在光波段的负折射率，成像分辨度到达60纳米或六分之一波长。新颦人工电磁材料在介于微波和光波之间的太赫兹波段也有其独特的应用前景。因为太赫兹波段的基本器件，如滤波器、极化器都还未成熟，迫切需要新材料，新技术来满足其特殊的要求。2004年，ZhangXiang教授和Smith教授的两个课题组合作，实验_)2Il察了ITHz附近开I：1环谐振器(SltR)的磁响应【9】。同年，德国卡尔斯鲁厄大学的StefanLinden和爱荷华州立大

5、学的Soukoulis教授合作，实验验证了100THz下，开口环(SRR)的磁响_

6、立【iol。2006年，LosAlamos实验室的ChenHuo．Tong，WilliamPadilla等将电谐振金属结构制作在肖特基二极管的衬底上，研制了太赫兹开关／调制器ll¨。Metamaterials另一个吸引人的特点是可以利用电信号或其他物理量控制它的媒质参数。2004年，法国的Reyneta等在SRR的谐振回路中串联一个变容二极管，利用变容二极管偏压控制SRR的谐振频率在100MHz至400MHz之间变化【121。除了利用分立元件如变容：极管，还

7、可以利用半导体的性质直接设计可调控的新型人工电磁材料。LosAlamos实验宦研制的太赫兹开关／调制器Ilu就是将金属电谐振单元直接制作在半导体衬底上，利用金属和半导体之间的电压差，控制半导体中载流子浓度，实现单元谐振频率的调节。LosAlamos实验窀的另一个杰出工作是利用紫外光照射改变半导体载流予浓度，这样的控制方法更加便东南大学硕士学位论文捷，省去了控制电路的布线【131。向列液晶的各向异性对外部电场非常敏感，清华大学周济教授的课题组实验验证了浸入液晶的SRR阵列其谐振频率可受外部电场控制【⋯。2006年6月份，在《科学》杂志上连续发

8、表的两篇文章引出了电磁学界令人瞩目的新方向，光学变换(OpticalTransform)。第一篇是UlfLeonhardt的光学保角变换【l引。在几何光学中，光线在媒质中传播的路径遵循费马原理，即追求光程极小值。此文提出了一种保角变换，并指出折射率空间分布和保角变换函数的关系，光线在此折射率字间分布中传播将绕过被隐形的区域。Leonhardt的光学变换基于几何光学，因此是对折射率的表述，媒质为各向同性，其折射率取值范围从0至36。第二篇是Pendry，Schurig，Smith的控制电磁场[16J。此文提出一种几何变换将均匀媒质的球体拉伸为

9、球壳，通过几何变换与介电常数和磁导率之间的关系，推出球壳的介电常数和磁导率的空间分布。若利用Metamaterials实现这个球壳，可以将球壳内部空间对电磁波隐形。Pendry的