论文总字数：14467字

摘 要

电磁超材料是当前电磁学和物理研究领域中的热点之一，并且在很多领域中都已经得到了比较广泛的引用。本次毕业设计即围绕透射式人工电磁表面研究展开，叙述了一种基于电磁超表面的聚焦器件设计。其设计流程是先依据设定的边界条件推导出每个结构单元需要满足的参数要求，再通过对每个结构单元的设计与仿真调试，实现在透射幅度满足要求的同时将柱面波转化为平面波的器件设计目的。

关键词：电磁超材料；透射；聚焦

Abstract

Electromagnetic metamaterials is one of the present research hotspot in the field of electromagnetism and physics, and has been widely used in many fields. This graduation design is about the research of transmitted electromagnetic artificial surface, describes a kind of the design of a device which based on electromagnetic focusing. Its design process is that first derive the need to meet the requirements of the parameters of the structure of each unit according to the set of boundary conditions, and then implement the design purpose which is to change the plane wave into cylindrical wave,when transmission range meet the requirements,by designing and simulation debugging each structural unit.

Keywords:Electromagnetic metamaterials; Transmission; Focussing

目录

摘要 2

第一章 绪论 6

1.1引言 6

1.2人工电磁材料的研究进展 7

1.3本论文的主要内容 7

第二章 透射式人工电磁表面的工作原理 9

2.1工作原理简介 9

2.2通过改变折射率来实现柱面波与平面波的相互转化 10

2.3通过改变相位来实现柱面波与平面波的相互转化 11

2.4转化后的平面波折射角度不为0 13

第三章 常见的透射式人工电磁表面结构的数值仿真 14

3.1方形环的数值仿真结果 14

3.1.1 CST中方形环的建模 14

3.1.2 CST中方形环的数值仿真 15

3.2类双方形环的数值仿真结果 16

3.2.1 CST中类双方形环的建模 16

3.2.2 CST中方形环的数值仿真 17

第四章 聚焦器件阵列的设计与数值仿真 20

4.1方形环聚焦器件阵列的设计 20

4.2 A1（B1）处单元结构的设计 20

4.2.1 CST中单元结构的建模 20

4.2.2 CST中单元结构的数值仿真 21

4.3 A2（B2）处单元结构的设计 23

4.3.1 CST中单元结构的建模 23

4.3.2 CST中单元结构的数值仿真 24

4.4 A3（B3）处单元结构的设计 25

4.4.1 CST中单元结构的建模 25

4.4.2 CST中单元结构的数值仿真 26

4.5 A4（B4）处单元结构的设计 27

4.5.1 CST中单元结构的建模 27

4.5.2 CST中单元结构的数值仿真 28

4.6 类双方形环聚焦器件阵列的设计 29

第五章 总结 32

致谢 34

参考文献 34

第一章 绪论

1.1引言

近年来，电磁超材料发展迅猛，在电磁科学领域引起了广泛的关注[1]。这起源于1968年，前苏联的物理学家菲斯拉格(Veselago)发现了左手材料（LHM），当一种物质的介电常数和磁导率均为负值的时候，其电磁学性质将与常规材料的电磁学性质大大不同，从而通过理论对上述的“反常”现象进行了预测。由此便诞生了超材料的概念[2]。 

图 1.1自然界中材料的电磁特性。

人工电磁材料（Metamaterials或称超材料）的拉丁语词根“meta-”是“超出、另类”的意思，大多数文献对Metamaterials的定义是“具有天然材料所不具备的物理性质的人工材料。”将具有特定几何形状的亚波长单元结构周期性地排列就构成了Metamaterials。换言之，对应于自然界中的材料由基本粒子构成，Metamaterials就是用有序的人造单元“粒子”组成一种等效材料。与传统意义材料的基本粒子及其排布结构决定其性质类似，Metamaterials的单元结构形状和空间分布决定了其媒质特性。

1.2人工电磁材料的研究进展

图 1.2 人工电磁材料与自然界中材料的电磁特性比较

左手材料(LHM)的研究发展并不一帆风顺。在这个新奇的概念被提出后的三十年里，由于LHM仅仅停留在理论研究上，也没有在自然界中被发现，所以，尽管它有很多新奇的性质，这一材料也没有受到人们的重视。在1998~1999年，英国科学家 Pendry等人设计出了一种巧妙的结构——SRR和金属导线，从后，这种材料获得了越来越多的关注。而在2001年发生的突破，更使LHM的研究在世界范围内变得炙手可热。

2001年，世界上第一个Metamaterials样品由美国加州大学的史密斯教授在实验室制造出来，负折射现象也通过实验得到了证明。2002年，麻省理工学院的孔教授也从理论上验证了LHM的合理性。随近几年，“光学变换”的研究进展迅速，涌现了很多的非常好的器件。2009年，宽频带隐身衣问世。2010年电磁黑洞被科学家所发现。 美国《科学》杂志分别在2000年、2003年、2006年将LHM等Metamaterials研究成果选为年度10项重大进展之一。

1.3本论文的主要内容

本次毕业设计主要是学习透射式人工电磁表面的工作原理，并对部分透射式人工电磁表面进行设计与仿真，研究电磁超表面在电磁波相位调控上的应用。其中，以聚焦器件阵列的设计为例，进行设计与仿真。其过程大致为首先依据设定的边界条件推导出每个结构单元需要满足的参数要求，再在CST软件中先完成单元结构的建模并设置好端口，再仿真，从仿真的结果可以得到每个结构单元产生的相位改变量，最后再将各个结构单元组合为聚焦器件阵列。本次毕业设计论文将对仿真的过程做出详细的交代并且分析仿真的结果，最后得出结论。

本论文的内容安排如下：

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