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含负磁导率或双负材料的一维光子晶体的全方位带隙中波的反射相位特性

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光子学报 2009年第8期38卷 1946-1952页

作者：林密欧阳征标徐军电子科技大学物理电子学院成都610054 深圳大学电子科学与技术学院太赫兹技术研究中心深圳大学深圳市微纳光子信息技术重点实验室深圳518060

运用传输矩阵法研究了含负磁导率或双负材料的一维光子晶体结构在全方位光子禁带中波的反射相位谱.研究发现"负磁导率材料-正折射率材料"光子晶体和"双负材料-正折射率材料"光子晶体,在所述带隙中,对TE波而言,反射相位随入射角的增大而... 详细信息

运用传输矩阵法研究了含负磁导率或双负材料的一维光子晶体结构在全方位光子禁带中波的反射相位谱.研究发现"负磁导率材料-正折射率材料"光子晶体和"双负材料-正折射率材料"光子晶体,在所述带隙中,对TE波而言,反射相位随入射角的增大而增大;对TM波而言,禁带频率范围内波的反射相位随入射角的增大而减小;TE波和TM波,两种结构的反射位相均随介质层的厚度缩放因子增大而增大,且都与周期数无关.

关键词：光子晶体传输矩阵负磁导率材料双负材料全方位光子带隙反射相位

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双负材料对多层介质的传输特性影响研究

微波学报 2008年第4期24卷 1-4页

作者：万国宾李静万伟西北工业大学电子信息学院西安710072

基于传输线等效方法给出了包含双负、单负和双正材料的任意多层结构的传输系数和反射系数计算公式;研究了双负材料对实心、双层和A夹层等天线罩壁形式的传输特性的影响规律,并分析了单负材料的传输特性和双负材料的透镜效应。结果表明:... 详细信息

基于传输线等效方法给出了包含双负、单负和双正材料的任意多层结构的传输系数和反射系数计算公式;研究了双负材料对实心、双层和A夹层等天线罩壁形式的传输特性的影响规律,并分析了单负材料的传输特性和双负材料的透镜效应。结果表明:双正与双负混合双层板和A夹层板在参数选择恰当时可达到(准)理想匹配状态,双负材料电磁参数的虚部为正时具有透波增强特性。

关键词：双负材料天线罩多层结构理想匹配结构

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双负材料在光波导中的特性研究

双负材料在光波导中的特性研究

作者：董鹏南京农业大学

学位级别：硕士

1968年苏联物理学家Veselago及其有创意地提出,在ε和μ同时为负时,Maxwell方程仍然成立,称这种物质为双负材料（DNM）,并且指出这种物质具有一系列反常的电磁特性如：左手特性、负折射效应、逆Doppler效应、反切连科夫效应等。自2001年... 详细信息

1968年苏联物理学家Veselago及其有创意地提出,在ε和μ同时为负时,Maxwell方程仍然成立,称这种物质为双负材料（DNM）,并且指出这种物质具有一系列反常的电磁特性如：左手特性、负折射效应、逆Doppler效应、反切连科夫效应等。自2001年Smith等根据Pendry的理论模型,首次人工制备出微波波段具有负介电常数、负磁导率材料开始,这种具有奇异电磁特性的新型材料已经成为当前研究的一个热点。随着实验室制备双负材料方法的不断改进,双负特性的的频段已经有很大的扩展,2006年M. S. Wheeler等人成功制备出红外波段的双负材料,光波段的双负材料的制备和研究成为新的热点。其中一个重要的研究方向就是双负材料在光波导中的应用。本文从Maxwell方程出发,对由双负和普通介质构成的三层、五层平板波导的传输特性进行了研究。本文所做的创新工作主要有： 1)详细讨论了两种由双负以及普通介质材料构成的非对称三层平板波导的导模和表面模,发现了一些不同于以往双负及传统材料波导的新奇特性。如：当衬底层为双负材料时,对于导模,基模一直存在,但是一般存在于较低的归一化频率范围内;—阶模与高阶模形式相同,在截止频率附近出现模式共存现象;有时基模也存在模式共存;分类讨论不同参量对于表面模的影响,发现TE0模式只存在于一种情况。覆盖层为双负材料时,对于导模,如果参量选取合适TE0模就会存在,甚至会出现在高归一化频率范围。一阶模与高阶模形式相同,与普通平板波导类似,没有模式共存现象。分类讨论了不同参量对于表面模的影响,发现TE1模式只存在于一种情况。另外还发现两种模型的TE1表面模色散曲线都与TE0导模色散曲线完美连接在一起,如同一个完整的模式。 2)对双负材料填充的非对称五层平板波导进行了研究,推导了TE和TM导模的色散方程、传输功率、归一化z向功率流、有效波导层厚度等一些表征平板波导的重要物理量表达式。并给出了相应的色散曲线、场分布、有效波导层厚度和归一化功率传输曲线。

关键词：双负材料平板波导传输特性色散关系导模表面模

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双负材料半空间中的反向切伦科夫辐射

双负材料半空间中的反向切伦科夫辐射

作者：陆居成电子科技大学

学位级别：硕士

双负材料是指介电常数和磁导率的实部同时为负值的人工合成电磁材料。电磁波在这种材料中传播时将显现与普通材料不同的各种逆向或反向效应,如负折射效应、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射等等。双负材料的发现被杂志《Science》评为是200... 详细信息

双负材料是指介电常数和磁导率的实部同时为负值的人工合成电磁材料。电磁波在这种材料中传播时将显现与普通材料不同的各种逆向或反向效应,如负折射效应、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射等等。双负材料的发现被杂志《Science》评为是2003年度十大科学突破之一,是当前物理与电磁学研究领域中的前沿与热点问题之一。切伦科夫辐射是当一个高速运动的带电粒子的速度超过了周围介质中光的相速时,带电粒子辐射出一种特殊的电磁能量的现象。在双负材料中的切伦科夫辐射将表现出与普通材料中完全不同的情形,即反向切伦科夫辐射。本文在已有的切伦科夫辐射研究成果以及经典电磁场理论的基础上,从理论上系统地分析了各向同性和各向异性的双负材料中的切伦科夫辐射,并仔细讨论了材料参数对辐射功率的影响。本文的主要内容组织如下:(1)在第二章,基于对带电粒子切伦科夫辐射理论的回顾,文章给出了在无界空间和半空间情形下的切伦科夫辐射表达式,研究了半空间为双负材料时的辐射功率的解析表达式(全文的研究也是基于此模型),验证了波矢量与坡印廷矢量的反向,最后还给出了材料参数对辐射总功率的影响。(2)在第三章,文章对色散的各向同性双负材料中的切伦科夫辐射做了详细的讨论,给出辐射频谱分布与各参数的关系式,进而研究了在此情形下材料参数对辐射总功率的影响。(3)在第四章,文章研究了各向异性双负材料中的切伦科夫辐射,给出了在单轴电各向异性和单轴磁各向异性时的切伦科夫辐射总功率表达式,讨论了此时材料参数对辐射总功率的影响。(4)最后在第五章,文章讨论了如何获取双负材料的特性参数,计算机仿真设计了一种双负材料,根据仿真结果提取了材料参数并讨论了这种双负材料在切伦科夫辐射中的应用。

关键词：切伦科夫辐射双负材料负介电常数负磁导率

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双负材料的电磁动态特性研究

双负材料的电磁动态特性研究

作者：牛颖大连理工大学

学位级别：硕士

双负材料(Double-Negative Material)是指在一定频率下，介电常数和磁导率同时为负的人工复合材料。在这种材料中，单色均匀平面波的相速方向和坡印亭矢量方向是相反的，因此使双负材料表现出一系列反常的电磁特性如：回波效应、负折射... 详细信息

双负材料(Double-Negative Material)是指在一定频率下，介电常数和磁导率同时为负的人工复合材料。在这种材料中，单色均匀平面波的相速方向和坡印亭矢量方向是相反的，因此使双负材料表现出一系列反常的电磁特性如：回波效应、负折射效应、完美透镜效应和一种极限情况即零折射率材料等。正是由于双负材料的这些区别于其它介质的特性使其被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一，并引起全球极大的关注。本论文概述了双负材料的发展历史和潜在的应用。从理论上分析了双负材料的奇特电磁特性而且说明了双负材料的两种制备方法：金属细导线和开口谐振环阵列方法、光子晶体方法。简介了求解电磁场问题的一种方法：时域有限差分法(FDTD)。时域有限差分法是求解电磁波问题的一种行之有效数值计算方法，基于对偏微分波动方程的离散化处理，通过时间和空间的离散化，将偏微分方程组转化为差分方程组，进而求解波传播过程中各个离散点的场量与时间的函数关系。为了模拟双负材料首先引入得鲁特(Drude)模型建立辅助差分方程，并基于传统的时域有限差分法建立出双负材料(DNG)的一维和二维的差分方程组。利用傅立叶变换法计算出此算法的收敛域，结合时域有限差分法的数值色散理论确定出时间和空间步距。建立离散方程和计算区域，在计算区域的边界上设置了Mur吸收边界这样做将大大的节约计算机的资源。利用建立的差分方程组和计算区域分别模拟了双负材料一维和二维的电磁特性。在一维模拟中，利用连续的高斯波源模拟了双负材料的回波特性和当电磁波在折射率为零的材料中传播相位不变的特性。在二维仿真中，模拟了当高斯波垂直入射到双负材料平板时产生的汇聚现象，当高斯波斜入射到双负材料平板时产生的负折射现象。并利用点源模拟出平面双负材料具有突破Rayleigh衍射极限使倏逝波成像的能力即：完美透镜现象。最后，建立了由双负材料构成的正方排列的二维周期结构模型。根据差分方程，编写了周期结构反射系数计算程序，计算当电磁波在由双负材料组成的圆柱周期性分布材料中传播的特性。结果表明由双负材料组成的单排周期结构对某些频段有较强的反射性，而在高频段对电磁波的传播几乎没有影响。比较了仿真的结果和理论分析的结论，同时也验证了FDTD方法对双负材料仿真的正确性和有效性。

关键词：双负材料时域有限差分负折射完美透镜二维周期结构

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双负材料与单负材料的线性和非线性响应

双负材料与单负材料的线性和非线性响应

作者：王漱明苏州大学

学位级别：硕士

双负材料是指介电常数和磁导率同时为负的材料。因为电磁波在其中传播时，电场((?))、磁场((?))和波矢((?))满足左手螺旋定则，经常又被称为左手材料。近几年中，对双负材料的特殊性质的研究已经成为在人工复合材料研究领域中的热点。... 详细信息

双负材料是指介电常数和磁导率同时为负的材料。因为电磁波在其中传播时，电场((?))、磁场((?))和波矢((?))满足左手螺旋定则，经常又被称为左手材料。近几年中，对双负材料的特殊性质的研究已经成为在人工复合材料研究领域中的热点。相应的，介电常数和磁导率同时为正的材料被称为右手材料，即电磁波在其中传播时，电场((?))、磁场((?))和波矢((?))满足右手螺旋定则。一般的电介质材料都是右手材料。单负材料，顾名思义，其介电常数和磁导率中仅有一个为负值而另一个为正值。若磁导率为负值，介电常数为正值，此单负材料称为磁负材料;反之，若介电常数为负值，磁导率为正值，则此单负材料称为电负材料。由于单负材料自身的一些特殊性质，它们也受到了广泛的关注。本文着重研究了由双负材料和单负材料组成的一维体系的线性性质和非线性性质。文章主要内容为：一、由单负材料构成的双层结构与双负材料的等价性研究我们使用有效媒质方法研究了由单负材料组成的双层结构的等效物理性质。在|k|d(?)1的条件下，我们率先推导出有效介电常数和磁导率张量的六个张量元的解析表达形式。理论研究表明，这种单负材料组成的双层结构可以等效为一块单轴各向异性材料。而且，在频率范围为(4×10rad／s，4.714×10rad／s)的区间内体系可以展现负折射现象。同时，我们也详细的分析了各频段上双层结构的折射性质和截止情况。最后，本文研究了双层结构对衰减波的放大性质以及它激发的表面等离激元。结果表明，双层结构能在界面上激发表面等离激元，从而很有效的放大衰减波，这进一步证明了双层结构可以等效为双负材料的论断。二、由各向异性双负材料组成的一维光子晶体的全方向反射我们研究了由各向异性双负材料和右手材料组成的一维光子晶体的色散关系、透

关键词：双负材料有效媒质理论双稳特性带隙孤子

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双负材料和单负材料中电磁波的传播

双负材料和单负材料中电磁波的传播

作者：唐超军苏州大学

学位级别：硕士

双负材料是指介电常数和磁导率同时为负的材料,经常又被称为左手材料,因为电磁波在其中传播时,电场（Ev ）、磁场（Hv ）和波矢（kv ）构成左手螺旋定则。相反,介电常数和磁导率同时为正的材料被称为右手材料,因为电磁波在其中传播时,... 详细信息

双负材料是指介电常数和磁导率同时为负的材料,经常又被称为左手材料,因为电磁波在其中传播时,电场（Ev ）、磁场（Hv ）和波矢（kv ）构成左手螺旋定则。相反,介电常数和磁导率同时为正的材料被称为右手材料,因为电磁波在其中传播时,电场（Ev ）、磁场（Hv ）和波矢（kv ）构成右手螺旋定则。与双负材料不同,单负材料是这样一种材料,其介电常数和磁导率仅其中一个为正而另一个为负。若磁导率为负,介电常数为正,该单负材料称为磁负材料;反之,若介电常数为负,磁导率为正,该单负材料称为电负材料。本文重点研究了双负材料和单负材料中电磁波传输特性,主要包括以下几个方面的内容: 第一,磁负材料和电负材料构成的复合材料与双负材料的等价性在长波近似下,利用传输矩阵的方法,我们给出了磁负材料和电负材料构成的双层结构的有效介电常数和磁导率的解析表述式。数值结果显示这个双层结构的有效介电常数和磁导率在某一频率范围内可以同时为负,从而证明了该双层结构与双负材料的等价性。理论计算还表明由单负材料组成的复合体系同双负材料一样,能够激发表面极化激元,因此也可以放大倏失波,从而进一步肯定了这种等价性。第二,包含双负材料或单负材料的一维光子晶体的光子带隙研究从有效媒质理论出发,我们研究了双负材料与右手材料构成的一维光子晶体的零体平均折射率光子带隙,以及磁负材料与电负材料构成的一维光子晶体的零有效相移光子带隙,我们认为可以用全反射来统一解释这两种光子带隙。而且,从有效媒质理论出发,也很容易理解这两种光子带隙的一些重要特性,如标度不变性,即光子带隙的位置与宽度不随组分厚度同比例缩放而改变。

关键词：双负材料右手材料单负材料传输矩阵光子晶体近场成像

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结构单元对双负材料电磁特性的影响

电子元件与材料 2008年第6期27卷 54-57页

作者：杨永祥冯立新西北工业大学陕西西安710072 中航一集团第一飞机设计研究院陕西西安710071

采用S参数提取法、结合HFSS仿真对双负材料电磁特性进行了分析研究,导出了S参数提取技术的相应计算公式。通过调节金属丝和金属谐振环单元的内外环间距、开口间距及覆铜厚度,分析结构单元的变化对双负材料谐振频率、介电常数及磁导率的... 详细信息

采用S参数提取法、结合HFSS仿真对双负材料电磁特性进行了分析研究,导出了S参数提取技术的相应计算公式。通过调节金属丝和金属谐振环单元的内外环间距、开口间距及覆铜厚度,分析结构单元的变化对双负材料谐振频率、介电常数及磁导率的影响。结果表明:双负材料的谐振频率随内外环间距的增大而迅速降低,随开口间距以及覆铜厚度的增大而缓慢增加。通过改变双负材料的结构单元可以实现对负介电常数和负磁导率频段的调控。

关键词：电子技术双负材料结构单元谐振频率介电常数磁导率

特异材料中单负材料和双负材料的传输特性及应用的研究

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特异材料中单负材料和双负材料的传输特性及应用的研究

作者：童志松天津大学

学位级别：硕士

Meta在希腊语中有超越的意思,因此在这种意义下,Metamaterials指的是超越传统材料,或者特异材料。包括双负材料和单负材料的特异材料主要是指由人工制备的材料,其有着在自然界中不存在的独特性质。对于负折射率的特异材料的研究将可能... 详细信息

Meta在希腊语中有超越的意思,因此在这种意义下,Metamaterials指的是超越传统材料,或者特异材料。包括双负材料和单负材料的特异材料主要是指由人工制备的材料,其有着在自然界中不存在的独特性质。对于负折射率的特异材料的研究将可能导致用于“完美成像”物体的超透镜,性能优良的天线,毫微光刻和纳米回路,以及能使物体隐性的“特异涂料”的发展。另一方面,对于单负材料性质的特异材料的研究将有助于双负材料或左手材料的制备。如果把双负材料或单负材料进行层状堆叠,构成的异质结构将各自形成零有效折射率带隙和零φ带隙,而这些异质结构将在微腔,天线基底,同轴波导有重要应用。加进缺陷层后,这两种异质结构将在禁带里形成隧道模式,这将有助于设计一种全新的滤波器。本论文主要研究了双负材料的传输特性以及由单负材料构成的异质结构的传输特性及其应用。论文的主要内容以及创新点简述如下:1.研究了微波吸收壁对于克服衍射和散射,从而形成清晰透射图样的重要作用。我们给出了在不同结构尺寸下的反向相位传输的情况,同时我们理论上提出了可能观察到反向相位传输的方法。2.推导了在入射面和出射面情形下,考虑损耗的折射公式以及损耗nκ和折射角之间的关系。我们研究并给出了复有效折射率的实部和虚部对于成像距离和折射角的影响。3.设计了一种新的异质结构,通过这种结构,我们能实现可调谐、零相移的全方向的滤波。同时我们进一步证明了有缺陷层的异质结构将产生隧道模式,且这种隧道模式是全方向的。其中,可调谐、零相移的全方向的滤波是主要创新点。4.详细推导了,在TE模式和TM模式下,由单负材料构成的异质结构的色散关系,在单层单负材料中的传输矩阵和单层右手材料中的传输矩阵,以及传输和反射系数。5.比较了由单负材料构成的异质结构和由双负材料构成的异质结构在禁带和隧道模式上的差异。

关键词：特异材料单负材料双负材料反向相位传输零相移全方向性隧道模式