基于磁性电磁超介质的可调控电磁波传输

发布时间：2020-11-14 12:26

　　 电磁超介质是一种由亚波长共振单元构成的人工复合材料,它具有传统材料所不具备的很多奇特物理特性和应用,比如亚波长电磁波导、隐身斗篷、完美透镜、负折射和零折射材料等,因此电磁超材料与传统材料相比具有巨大的发展优势,其在信息通信、电磁波雷达、医学研究和国防科技等众多领域的应用将具有非常巨大的研究价值。同时为了进一步拓展其应用领域,通过一定参数进行灵活调控的电磁超介质也已经成为一个研究热点,比如通过温度、电压和磁场等参数对其物理特性进行灵活调控。本文研究的是在微波波段范围内,电磁波在磁性电磁超介质中通过磁场调控的传输特性,其中主要研究的是铁氧体柱子的磁性特性、零折射电磁超介质中的电磁波传输特性,以及电磁波在梯度折射率磁性电磁超介质中的传输特性。此论文由五个章节内容组成,第一章主要介绍的是电磁超介质和电磁超表面的基本物理概念、及其独特的物理特性和发展应用。第二章介绍的是研究体系的理论方法,研究结构是由理论上无限长的各向异性磁性铁氧体柱子组成,由于本研究体系中电磁波的波长大约等于结构晶格常数的9倍,满足长波近似条件,所以体系中的磁性电磁超介质可近似为均匀介质,然后通过等效介质理论就可获得体系的等效介电常数和等效磁导率,以及等效折射率。此外,通过Mie散射理论和多重散射理论还可以计算出单根和多根磁性铁氧体柱子的散射系数,从而获得空间中任意位置的电场和磁场,进而计算出空间中任意位置的坡印廷矢量。第三章主要探究了电磁波在零折射磁性异质结电磁超介质中的可调控非对称传输特性,而研究内容则是由磁性铁氧体柱子构成的具有灵活磁性调控特性的磁性体系,其中一部分为零折射率结构,另外一部分为非零折射率结构,此时从结构一侧垂直入射电磁波发生单向透射现象。此外,由于磁性铁氧体柱子具有灵活的磁性调控特性,因此通过外加磁场就能改变体系的等效介电常数和等效磁导率,从而实现对其等效折射率的灵活调控。基于此,通过改变外加磁场就能使得非零折射介质变为零折射介质,零折射介质变为非零折射介质,此时从结构另一侧垂直入射电磁波发生与前者方向相反的单向透射现象,由此通过改变磁场就能实现可调控的电磁波非对称传输。受到梯度电磁超表面的启发,第四章主要探究了在梯度折射率磁性电磁超介质平板结构中的电磁波传输特性。在本研究体系中,对于一定的外加磁场范围,体系的外加磁场和等效折射率呈线性关系,所以通过设置均匀变化的外加磁场就可以在空间结构上引入梯度变化的折射率分布,使得传输电磁波在折射率梯度方向上产生相位补偿,从而对其传输相位进行控制,由此只需要改变外加磁场梯度就可以实现可调控的电磁波传输。论文的最后一章则是对硕士期间的主要研究内容进行总结陈述,同时对利用梯度折射率磁性电磁超介质实现电磁波的可调控非对称传输进行可能性展望。
【学位单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O441.4
【部分图文】：

学理论和工业制造技术正以前所未有的速度飞速发己经远不能满足社会发展的需要，于是从上世纪中提出，与传统材料相比，其材料结构是结构单元呈材料具备传统材料所没有的特异物理性质。同时由的电磁调控特性，所以这种材料的发展将开辟材料对电磁超介质和电磁超表面这两种人工电磁材料进学中，媒质的电磁特性一般用材料本身的两个电磁磁导率［１］。介电常数反映了媒质在电场中发生的极映的则是媒质在磁场中发生的磁化对原磁场的影响、离子和电子）在电场和磁场作用下运动效果的宏的结构单元尺寸大得多时，媒质可以近似认为是均效磁导率来描述材料与电磁波的相互作用。基于此，磁导率分别看作平面坐标系的横轴和纵轴，然后对＾

图１．２基于ＺＩＭ的电磁波耦合示意图。??而其中早期比较经典的工作由Ｅｎｇｈｅｔａ工作组完成他们理论上设计的材料结构??如图１．２所示，其中结构的两端为上下界面平行的金属波导，而连接两者的则是作为电??磁波耦合器的介电常数等于零（ｅ－Ｎｅａｒ－Ｚｅｒｏ，ＥＮＺ）的ＺＩＭ，其界面是完美电导体??（ＰＥＣ），两种材料的接触面与波导界面垂直。通过这个ＥＮＺ材料结构使得从Ｒｅｇｉｏｎ?１进??入ＥＮＺ材料的电磁波能大大耦合到Ｒｅｇｉｏｎ?２，提高了电磁波的耦合效率，而这与ＥＮＺ??材料的特殊形状无关。接下来的２００８年，如图１．３所示，他们进一步利用实验在微波频???Ｈ／－１?Ｈ＊－?Ｌ?ｈＨＡｔＨｉ???＾??Ｉ?＾￣＼??ｙ?ＲＰＡｆ?４?！?ＲＰＢ１??？?＾?－??■?！?＞．?？?■?＼?ｔ?ｆ?ｒ??ａ?°?Ｘ．?？．?？■?？；?ｒ?ｒ?￣?ｖ－?＜■＊?！？??Ｎ?？＇?Ａ?－！?？＞?＾?＾?Ｔ－?７ｆ?ｒｒ?：．－?ｒ??！＞?＞■?－?＇?＇－ｉ?ｔ，?ｆ．?－ｔ?＾?＾?＾?＊?Ｓ－?ｆ－??ｙ?Ａ?？?？?Ｖ?／ｉ?？；?＜?＜■贫?Ｊ＊?丫，＞??＞?＾?Ｎ?．Ｈ?＞?Ａ?－ｖ?＇ｓ?＊？?／｝／■！！?－ｆｉ?？■?－ｒ－?＾?ｒ－?？．？?Ｔ??？？?＞?＊＞?＞?ｔ．?Ａ?Ａ?＾??九?Ａ?Ａ?＜?＇Ｉ?４?＜ｆ?■Ｓ＂?￣?￣?５?＾?？＊??＞，Ｖ?＞＞?５－??图１．３?（ａ）图为零折射窄通道波导实验装置示意图；（ｂ）图为对应的磁场模拟示意图。??段验证了电磁波可以“挤压”通过由ＥＮＺ材料做成的窄隧道波导［＾

＇＝０??图１．２基于ＺＩＭ的电磁波耦合示意图。??而其中早期比较经典的工作由Ｅｎｇｈｅｔａ工作组完成他们理论上设计的材料结构??如图１．２所示，其中结构的两端为上下界面平行的金属波导，而连接两者的则是作为电??磁波耦合器的介电常数等于零（ｅ－Ｎｅａｒ－Ｚｅｒｏ，ＥＮＺ）的ＺＩＭ，其界面是完美电导体??（ＰＥＣ），两种材料的接触面与波导界面垂直。通过这个ＥＮＺ材料结构使得从Ｒｅｇｉｏｎ?１进??入ＥＮＺ材料的电磁波能大大耦合到Ｒｅｇｉｏｎ?２，提高了电磁波的耦合效率，而这与ＥＮＺ??材料的特殊形状无关。接下来的２００８年，如图１．３所示，他们进一步利用实验在微波频???Ｈ／－１?Ｈ＊－?Ｌ?ｈＨＡｔＨｉ???＾??Ｉ?＾￣＼??ｙ?ＲＰＡｆ?４?！?ＲＰＢ１??？?＾?－??■?！?＞．?？?■?＼?ｔ?ｆ?ｒ??ａ?°?Ｘ．?？．?？■?？；?ｒ?ｒ?￣?ｖ－?＜■＊?！？??Ｎ?？＇?Ａ?－！?？＞?＾?＾?Ｔ－?７ｆ?ｒｒ?：．－?ｒ??！＞?＞■?－?＇?＇－ｉ?ｔ，?ｆ．?－ｔ?＾?＾?＾?＊?Ｓ－?ｆ－??ｙ?Ａ?？?？?Ｖ?／ｉ?？；?＜?＜■贫?Ｊ＊?丫，＞??＞?＾?Ｎ?．Ｈ?＞?Ａ?－ｖ?＇ｓ?＊？?／｝／■！！?－ｆｉ?？■?－ｒ－?＾?ｒ－?？．？?Ｔ??？？?＞?＊＞?＞?ｔ．?Ａ?Ａ?＾??九?Ａ?Ａ?＜?＇Ｉ?４?＜ｆ?■Ｓ＂?￣?￣?５?＾?？＊??＞
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本文编号：2883475