《异向介质》PPT课件

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1、第一次作业一、试根据介质波导（圆柱形）电场方程，推导特征方程为：二、试比较介质波导中的模与金属波导中的模有何不同？第二次作业：2.圆波导TE波，用位函数方法求其场分布和功率流这两次作业于5月11日交5月4日周五下午停课第16讲一.异向介质二.光子晶体三.手征介质一.异向介质预言及实现1.1称谓1.2早期研究进展及实现方法特性应用左右手传输线双负介质(DNGmedia：Double-Negativemetamtaterials)，负折射率介质(NIMs：Negative-IndexMaterials；NRI：Negative-Refractive-Index)，左手介质(LHM：Lef

2、t-HandedMaterial)，后向波介质(BWmedia：Backward-Wavemedia)，人工复合材料(CMM：CompositeMetamaterial)，孔金瓯(KongJA)教授建议其中文名称为“异向介质”光子晶体(PC:PhotonicCrystals)手征介质(Chiralmedia)1.1称谓异向介质介绍1金属导线阵列和开路环谐振器2用Drude介质模型或Lorentz介质模型来等效3传输线上加载串联电容和并联电感构成的复合介质实现方法实验制得的左手材料结构左手材料的研制被《科学》杂志评为2003年度全球十大科学进展。1.2早期研究进展及实现方法均匀排列的细

3、金属开路环谐振器基本结构单个谐振环基本结构1.金属导线阵列和开路环谐振器图2.3D.R.Smith制作出的微波波段的异向介质对称环结构S型嵌套结构各种结构的开路环谐振器1.3实现方法1.3实现方法图2.5Photographofametamaterial(courtesyofDavidSmith,UCSD)均匀排列的细金属1.金属导线阵列和开路环谐振器金属阵列的等效介电系数将遵循下面的形式：(2-1)式(2-1)中ε0为真空介电常数，ω为入射波频率，ωp为等离子体频率，γ为等离子体电子碰撞频率，σ为金属导线的电导率。我们可以通过调整金属导线周期尺寸a和导线的粗细d在需要的频段得到负的

4、介电系数。实现方法开路环谐振器基本结构单个谐振环基本结构1.金属导线阵列和开路环谐振器PendryJB和KoschnyT等人同时指出用开路环谐振器(SRRs：SplitRingResonators，见图2-1(b))阵列可以构造等效μ和ε为负的介质即(2-2)式中ω’m为磁等离子体频率；ωm为磁谐振频率；γ为磁等离子体电子碰撞频率，表示其损耗特性；ω0为电谐振频率。同样通过调整SRRs的环宽度w、环间距s、环开口g在需要的频段得到负的磁导系数。将图2-1(a)和多个图2-1(b)的SRRs、介质板周期排列结合，可以得到异向介质材料，如图2-1(c)。异向介质的介电系数和磁导系数可以通

5、过提取S参数来求出。实现方法(a)TE波(b)TM波　　　(c)异向介质凹透镜近场示意图图2-11电磁波与异向介质制作的棱镜及凹透镜的相互作用实验观测负折射1.2早期研究进展及实现方法异向介质有效介质参数的提取方法下面介绍异向介质有效介质参数提取方法(NRW：Nicolson-Ross-Weir)：(2-3)其中相对波阻抗。当平面波垂直入射到厚度为d的介质板时，其反射系数和透射系数可以用S参量中的S11和S21可以表示，S11和S21可以分别定义为(2-4)式(2-4)中(2-5)实现方法为了从计算所得的平面波垂直入射时散射参数提取介质的有效介电系数和磁导系数，下面介绍一下NRW方法

6、。首先引入(2-6)和下列变量(2-7)从式(2-7)中可以得到(2-8)异向介质的S参量是随频率变化的，且是复数。在介电系数和磁导系数的谐振频率附近，Z和反射系数Γ的正负值变化迅速，式(2-8)的正负号不易确定。异向介质有效介质参数的提取方法我们可以推导Z和反射系数Γ的另一个表达式，即(2-9)从式(2-9)我们可以得到(2-10)异向介质有效介质参数的提取方法当异向介质板厚度较小时，即，波矢量，，其中k0=ω/c，d代表异向介质在传播方向上的厚度。就可以得到波矢量和相对磁导系数的近似解(2-11)(2-12)异向介质有效介质参数的提取方法相对介电系数和折射率就可以写为(2-13)

7、波阻抗的平方可以写为(2-14)合并式(2-12)和式(2-14)，就可以得到(2-15)异向介质有效介质参数的提取方法当，(2-16)(2-17)异向介质有效介质参数的提取方法下面介绍另外一种等效参数提取的方法：设平面波入射到厚度为d的异向介质平板，根据计算得到的散射参数S11﹑S21结果可以得到如下恢复算法，(2-18)(2-19)其中。m=0,±1，±2…是与折射率n实部分量的支路选取相关的整数。因此异向介质的等效介电系数εeff和等效磁导系数μef