2023《电磁超材料的应用研究》10000字.docx

《2023《电磁超材料的应用研究》10000字.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023《电磁超材料的应用研究》10000字.docx（21页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、电磁超材料的应用研究摘要随着信息技术的飞速发展，现代通信系统对微波器件的宽带化、多频化、小型化提出了更高的要求。在传统的方法难以改善其性能的情况下，低损耗、宽频带和平衡特性的左右手传输线为电磁场开辟了一个潜在的研究方向。目前，复合式手动传输线的物理特性已经得到了理论和实验上的验证，其新的结构设计和应用已经成为物理学和电磁场领域的焦点。本文先对电磁超材料做了详细的介绍，第三章介绍复合左右手传输线、频率选择性表面、间隙波导三种技术的基本原理及应用，第四章主要讲述了这三种技术在电磁超材料传输线中的应用研究。关键词：电磁超材料；复合左右手传输线；频率选择性表面；间隙波导一、弓I言1二、电磁超材料简介2

2、2.1超材料的概念22.2超材料的分类22. 2.1左手材料23. 2.2光子材料42. 3超材料的应用52. 3.1零折射率超材料53. 3.2超材料用于3D显示54. 3.3超材料可吸收所有光线5三、三种技术的原理及应用65. 1复合左右手传输线原理及应用63. 1.1复合左右手传输线的构造机理63. 1.2生物医学工程中的复合左右手传输线应用103. 2频率选择性表面原理及应用113. 2.1频率选择性表面的基本原理114. 2.2频率选择表面反射板的设计应用133.3间隙波导基本原理及应用133.3.1间隙波导基本原理133.3.2间隙波导应用14四、综合应用研究15五、总结17参考文

3、献18致谢错误!未定义书签。一、引言超材料是由周期性或非周期性人工微结构制成的人工复合材料。其核心思想是通过复杂的人工微结构的设计和加工，实现人工原子对声场或声纳的响应。其中一个核心理论是变换光学，它描述了电磁波的传播路径和超材料特性。超材料技术是一门前沿科学和技术，涉及电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计系统、通信、半导体等。超材料的特性可以应用于功能器件的开发，如纳米波导、表面等离子体光子、耦合器、滤波器、新光源、超衍射、纳米光刻、生物传输、传感器、探测器和军用隐身材料。目前，超材料主要是被动式无源器件实验室研究，有源器件研究较少。二、电磁超材料简介2.1 超材料的概念“超材料”指的是

4、一些人造的复合结构或复合材料。通过对物质的关键物理尺度结构的有序设计，我们可以突破一些明显的自然规律，从而获得超越自然的自然属性的超常材料的功能。2.2 超材料的分类2.2.1左手材料(1)左手材料的概念左手材料是一种同时具有负介电常数和磁导率的材料。当电磁波传播时，波矢K、电场E和磁场H的关系与左手定律一致，所以被称为左手材料。(1)负折射率效应由n1sin1=n2sin82可知：(a)n10,FSSn20时，2O,即入射光线位于介面法线的两侧；(b)FSSn10,FSSn20时，FSS20,那么入射光线与折射光线位于介面法线的同侧。(2)反多普勒效应如果光源发出频率30,检测器以V的速度接

5、近光源，则检测器在一般介质中接收到的电磁波的频率将高于30以及左手介质中的电磁波的频率。能量传播的方向和相位传播的方向将是相反的，所以，观察者的频率是观察者接收的频率，如果两个观察者在同一个方向上，它将接收比Qo更低的频率，反之则会升高，从而出现反多普勒效应。左手材料中侦测器光2. 2.2光子材料(1)光子晶体的概念光子晶体是一种具有介电常数周期性变化的新型光学微结构材料。光子晶体的最基本特征是光子带隙。图I一维光子曷体图2二维好晶体图3木柴垛结构三维光子晶体如图1图3所示，光子晶体显示了一维到三维结构的周期性。高折射率材料和低折射率材料的周期性结构可以产生光子晶体带隙，并且周期的大小不同，这

6、导致光子晶体的一定距离只产生一定频率的光波。也就是说，在一定的时间内，在一定频率的光子晶体中，只有一定频率的光将被完全禁止传播。所谓光子带隙是指在一定频率范围内的波不能在这样的周期性结构中传播，也就是说，结构本身具有“禁带二(2)光子晶体的原理结晶中的原子周期性地整齐。这个周期性的存在是移动电子散射到周期性的布拉格，形成带状结构，有可能在带子和腰带之间存在带间。如果电子波的能量落在缝隙中，那就无法传达了。同样，在光子晶体中，光子的结合结构是根据光的折射率的周期性的变化而产生的，通过光子控制光晶体的光运动。2.3超材料的应用2.3.1零折射率超材料(1)一个国际队已经开发了一种新的光学纳米结构，

7、可以对科学家操纵光的折射率，并完全控制在光的空气中的传播。最新的研究表明，光(电磁波)可以从A点传播到B点，而没有任何相变通过人工介质，好像介质完全消失在空气中。(2)科学家将折射率和负折射率结合在一起，实现光子相位的正确控制。自然界的已知所有材料的折射率都是正确的。通过交换这些人工亚的波长的纳米结构，科学家已经控制了光的传播，从而产生负面的折射率。然后科学家将负介质与具有正折射率的介质连接，使最终的纳米结构表现为折射率为零。2.3.2超材料用于3D显示光是由超材料制作的中空光光投射出来的，其周围的光是改变了管道周围的方向，所以看不见这些光。另一方面，在三维空间中的特定位置，通过每个光纤不能清

8、楚地看到来自像素平面阵列的光。通过在空间中排列数千个像素，3D显示器可以简单地漂浮在空中。超材料使用复杂的谐振来弯曲任何方向的光；通过改变周围光的方向，可以覆盖其视觉范围内的空间。现在数学家给出了一个蓝图，其中中空纤维被浇铸到“超材料”中，形成一个包覆的管子，每一个都可以覆盖一个平面像素阵列的光，并且可以显示3-D。在3D中，除了发光端之外，微小的包层管的排列可以是。从平面像素排列通过光纤，浮在空气中。穿过物体的边缘，消失在管道里，并在另一端看到光。“罗彻斯特大学的超级材料教授格林利夫说。2.3.3超材料可吸收所有光线当光碰到物质介质时，有3种情况：光被反射，例如当光暴露在镜子上时，光被传播，

9、例如玻璃窗上的光；最后一种情况是，光被吸收并转化为热。这种新设计的超材料确保光既不反射也不传播，而是完全吸收到热中。三、三种技术的原理及应用3.1 复合左右手传输线原理及应用初始谐振左手材料具有窄的工作频率和高的插入损耗，这不利于其在通信系统中的应用。近年来，学者们利用传输线理论来重构左手材料的特性。因为发送线本身，因为右手的参数分布在不被避免的情况下，因此，可以在一定的频率范围内显示左手的特性，右手的特性传送线被显示在其他乐队中。操作带被称为复合左右转送线，具有左手的特性和寄生右手的特性的传输线被称为复合左右转送线。在本章中，从微带线的分析入手，介绍了复合左右手动传输线的结构机理、理想的复合

10、左右手传线路和复杂的网络形式的手动传输线，为研究和A型传输线的建立奠定了理论基础。3.1.1 复合左右手传输线的构造机理(1)产生等效负介电常数的物理机理周期性地并行的感性板的平行板波导如图3.1所示，可以将感性板作为复合左右的手传输线的并行电感。根据前面的设定，本文有长度为(”)；厚度是充分薄的平行板波导周期性的排列，一定的静态静止画分析了构造的电磁特性。平行线波导的上下板之间，在垂直方向上的电界密度在方向上发生的电通量密度有：4=%E并且平行板波导上下板之间的电势差会激发表面电流密度人,它产生了方向和相反的电极化强度P。因此，如果P在与电的通量密度相抵的情况下，等有效介电常数的情况下可能会

11、造成负面影响。为了便于分析，感性板上的单位面积的表面阻抗为4出其表示为整个感性板的电场切线分量与磁场切线分量的比值，即Ztad=J。乙。宽度为3的感性板在方向上的表面阻抗为4%/G,贝感性板上的表面电流密度Jind为八4J1旦=-红(1)ZindJS1因此，周期分布、表面电流密度JiM可以用电流板阵列代替电感板，并且由于Z轴的周期长度远小于波长，所以电流板阵列可以被视为连续电流密度。J=Jind/由安培定律得到PH=j%E+J故得到感性平行板波导内部的电流密度为得到等效介电常数为平行板波导的单位体积电极化强度为PEEyP=一两一赤(6)得到极化率小于，即Z=O品G1d(7)这是因为电极化方向与

12、电通量密度的方向相反。并且有=EE=e0E+P=(1+；IjeOEo)根据公式(8),某一频带的等效介电常数为负乜-1。此时，电极化P大于磁通D,从而克服了D的影响。以上讨论基于结论磁场的密度不影响电极。事实上，电感平行板波导的垂直方向上的感应电流将彼此抵消，而冲击H不产生电偶极子，因此不影响电极强度。(2)产生等效负等效磁导率的物理机理如图2.1.2所示，平行板波导被用作主传输线，并且该表面具有横向间隙，该间隙具有间隙宽度4。该间隙相当于复合式手动传输线的串联电容。假设电容间隙在波导的表面上周期性地分布，其长度为D,并且D比波长人小得多。假设电容间隙在波导的表面上周期性地分布，其长度为D,并

13、且D比波长入小得多。波导的上板和下板之间的电流密度4相当于磁场强度H,将产生随时间变化的磁通密度或=4,并使间隙横向电势降的周期分布。此时，当波导中没有周期性扰动时，电位的降低将由磁通密度相反的方向上的磁极化引起。当间隙产生的磁极化强度匕克服了磁通量密度6。，即4大于6。时，容性负载的平行板波导内的等效磁导率为负值。图2.1.2横向容性缝隙平行板波导板中间隙的电压为Vgp於C(9)其中，4为波导内的电流密度，C为X轴向上的单位长度电容(pFm),由保角映射定理得到C=arcosh(-)gap(10)jC根据法拉第电磁感应定律，平行板波导中的平均磁场密度H可以等效于电流密度4,因此间隙压降可以表

14、示为(11)JAIh0，dAAvG图2.1.2容性间隙平行板波导横截面对于容性间隙平行板波导横截面如图2.1.2所示，由法拉第定律可以得到JEa=Ed1+Ed1=-jHdAC16+h4电场线积分有EdI=(12)IIf(-j0H).ijCkdJ(13)同样应用法拉第定律分析平行板波导的磁流密度“S,有Ed1=，(-js&H-M)dA(14)/+乙A1于是得到磁流密度“HMv=(15)jCh0d平行板波导的等效磁化率为在然一的某个频段内，等效渗透率为负，证明等效渗透率的值与间隙的电容有关。上述推导的前提是电场强度E不影响磁极化。事实上，当周期D的长度远小于工作波长时，围绕间隙的Y轴方向上的磁性分

15、量将彼此抵消，因此它仅在Z轴的轴向方向上激励磁性分量。Y与间隙的相互作用，对磁极化没有影响。(3)同时产生负等效介电常数和负等效磁导率的物理机理通过以上两部分的分析，可以得到串联电容器的负电极强度和串联电容器的负磁极化P。时变电场对电容间隙的影响可以产生电极强度、方向和电通量密度pOo反向；而冲击的时变磁场激励感性板方向上的磁流产生磁极化强度2,其方向与磁通量密度为反向。当心一1时，感性波导将产生等效的负介电常数；当一1时，间隙报告将产生等效的负磁导率。因此，如果感应板和电容间隙被设计在平行板波导上，则感应电流和磁电流不相互干扰，可以在同一时间内实现等效负磁导率和等效负介电常数。安静工作带。3.1.2生物医学工程中的复合左右手传输线应用移动电话使用无线电波来发送和接收信息。科学研究表明，手机在耳朵和头部的使用对人体发射和接收无线电波造成很大的危害。人体组织中含有大量的水、大量的电