微波频段非谐振式Metamaterial结构及其应用的研究

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Metamaterial是当前电磁学的研究热点之一,由于它具有许多不同于传统材料的电磁属性,所以其实现与应用受到人们的广泛关注。谐振式Metamaterial的研究在理论和实验等方面均取得了巨大的进展,但是由于其固有的强色散、高损耗等缺陷,谐振式Metamaterial在实际工程中的应用受到严重制约,是其进一步发展的瓶颈。针对谐振式Metamaterial存在的主要问题,本文致力于微波频段非谐振式Metamaterial结构和应用的研究,开展了以下方面的研究。在非谐振式Metamaterial的结构研究方面,主要研究非谐振式Metamaterial的构造,以及在入射电磁波作用下的电磁响应。首先根据材料介电常数和磁导率的物理意义,分别建立了实现非谐振式电响应的介电常数模型和实现非谐振式磁响应的磁导率模型,通过理论分析推导出这两个模型等效本构参数的计算公式,再结合数值计算,验证了理论分析的正确性,并研究等效本构参数的特征和影响因素。然后综合上述模型的特点提出了非谐振式Metamaterial结构,并研究了其色散特性和损耗特性,发现非谐振式结构具有宽频带、低损耗、结构简单等优点。非谐振式Metamaterial突破了谐振式结构发展的瓶颈,具有巨大的应用潜力,本文在非谐振式Metamaterial的应用方面的研究,就能有力的说明了这一点。首先采用非谐振式Metamaterial设计并制作了提高天线增益的梯度透镜,并针对二维非均匀透镜在电磁波传播方向存在较严重的反射问题,采用阻抗渐变的梯度透镜,将梯度透镜的非均匀度提高到三维,实验表明,这种梯度透镜在较宽的频带内能有效的提高天线的增益。为满足系统对天线提出的各种性能要求,还提出了赋形梯度透镜和近场梯度透镜的设计方法,突破了传统光学设计方法的局限,增加了梯度透镜的用途,减小了对初级馈源天线的要求,能极大的增加梯度透镜的应用范围。随后运用光学变换法设计了电磁波束偏转器,可用于改变天线波束的辐射方向。所设计的波束偏转器只有一个本构参数分量是随空间位置变化的,易于制作,且由于是采用非谐振式Metamaterial制作,所以波束偏转器具有宽频带的特点。通过实验测试波束偏转器对天线辐射电磁波的影响,验证了这种设计与制作方法的正确性,能达到控制电磁波束传播方向的目的。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第1章 引言第9-19页
    1.1 Metamaterial 的简介第9页
    1.2 本文的研究背景第9-16页
        1.2.1 Metamaterial 的研究历史与进展第9-15页
        1.2.2 Metamaterial 的命名第15-16页
    1.3 本文的研究意义、内容及创新点第16-19页
        1.3.1 本文的研究意义与主要内容第16-17页
        1.3.2 论文的内容安排第17-18页
        1.3.3 论文工作的创新点第18-19页
第2章 Metamaterial 中的几个基本电磁学问题第19-40页
    2.1 Maxwell 方程组与本构关系第19-21页
    2.2 波动方程与色散关系第21-24页
    2.3 等效本构参数的反演算法第24-26页
    2.4 光学变换法第26-40页
        2.4.1 光学变换法的原理第26-31页
        2.4.2 基于光学变换法的圆柱形隐身斗篷第31-40页
第3章 非谐振式 Metamaterial 结构第40-70页
    3.1 本章引论第40页
    3.2 构造介电常数,实现非谐振式电响应第40-50页
        3.2.1 介质的介电常数第41-42页
        3.2.2 非谐振式介电常数模型第42-45页
        3.2.3 介电常数的数值计算结果第45-48页
        3.2.4 超高介电常数的 Metamaterial第48-50页
    3.3 构造磁导率,实现非谐振式磁响应第50-58页
        3.3.1 介质的磁导率第50-52页
        3.3.2 非谐振式磁导率模型第52-55页
        3.3.3 磁导率的数值计算结果第55-58页
    3.4 非谐振式结构的电磁特性第58-68页
        3.4.1 非谐振式 Metamaterial 的设计方法第58-59页
        3.4.2 四种非谐振式结构第59-64页
        3.4.3 四种非谐振式结构的色散特性第64-66页
        3.4.4 四种非谐振式结构的损耗特性第66-68页
    3.5 本章小结第68-70页
第4章 基于非谐振式 Metamaterial 的梯度透镜第70-94页
    4.1 本章引论第70-71页
    4.2 基于非谐振式 Metamaterial 的高增益梯度透镜第71-82页
    4.3 赋形梯度透镜的设计第82-89页
        4.3.1 口径场与辐射场的关系第82-85页
        4.3.2 波束展宽梯度透镜的设计第85-87页
        4.3.3 波束偏转梯度透镜的设计第87-89页
    4.4 近场梯度透镜的设计第89-92页
    4.5 本章小结第92-94页
第5章 基于光学变换法的波束偏转器第94-106页
    5.1 本章引论第94页
    5.2 波束偏转器的设计第94-96页
    5.3 偏转 30°的波束偏转器第96-101页
    5.4 偏转 90°的波束偏转器第101-105页
    5.5 本章小结第105-106页
第6章 总结第106-108页
参考文献第108-117页
致谢第117-119页
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果第119页
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