CN100361345C - 一种利用介质谐振器构造异向介质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用介质谐振器构造异向介质的方法。将介质谐振器的两个相对的端面紧密接触导体，即在介质谐振器两端安装金属片、或镀金属膜、或将介质谐振器放置在两个平行导体面之间，使得两个平行导体面与介质谐振器的两个端面接触，均可以构成异向介质单元。将上述单元按周期或非周期方式排列，即可以构成异向介质，在工作频段内，其等效介电常数及等效磁导率为负值，具有负的等效折射率。本发明构造方法简单、性能稳定、工作频率易于确定、并且可以用于构造微波、红外和光频段的异向介质。

Description

一种利用介质谐振器构造异向介质的方法
技术领域
本发明涉及一种利用介质谐振器构造异向介质的方法。
背景技术
前苏联科学家V.G.Veselago在1968年指出：当介质的介电常数ε与磁导率μ同时为负数时，其折射率将变为负值。这种ε和μ同时为负的介质的英文名称为Left-handed Material。美国麻省理工学院J.A.Kong教授命名其中文名称为“异向介质”，国内也有其它名称如“负介质”、“负折射率介质”或直译为“左手物质”。2001年，美国加州大学San Diego分校的D.R.Smith等人根据英国帝国理工学院J.B.Pendry的研究结果首次构造出ε与μ同时为负的人工介质，其方法是采用细金属导线阵列构造等效介电常数为负值的介质，采用金属开路环形谐振器阵列构造等效磁导率为负值的介质，然后通过将这两种阵列混合放置在一起，从而构成一种等效的人工电磁异向介质。上述采用细金属导线和开路环谐振器阵列构造异向介质的方法，构造方法比较复杂，并且由于金属在光频段的损耗很大，并且尺度变小后加工困难，上述方法基本上只能用于微波或远红外频段。而本发明提出的利用介质谐振器构造异向介质的方法，则主要利用介质，而不是金属，制作异向介质，其优点是构造方法简单，性能稳定，工作频率易于确定，并且可以用于构造微波、红外和光频段的异向介质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用介质谐振器构造异向介质的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将介质谐振器的两个相对的端面紧密接触导体，即在介质谐振器两端安装金属片、或镀金属膜、或将介质谐振器放置在两个平行导体面之间，使得两个平行导体面与介质谐振器的两个端面接触，当介质的介电常数足够大，以使介质谐振器内部的等效波长比外部的波长要短，且介质谐振器的品质因数足够大，以满足当将该介质单元置于外部电磁场中时该介质谐振器内部的电流环路产生的磁场大于外部磁场时，均能构成异向介质谐振器单元，异向介质谐振器单元在同一平面上按周期方式排列或非周期方式排列，即可以构成异向介质。
采用具有折射率大于2的介质来制作介质谐振器，使得在介质谐振器内部的等效波长长度小于二分之一外部入射的电磁波波长，从而可以在一个外部波长的范围内，排列多个上述异向介质谐振器单元，使得所构成的异向介质可以被视作等效介质。
所述的异向介质谐振器单元按周期方式排列，即每个单元间的距离相等；或按非周期方式排列，即每个单元间的距离并不全相等。
本发明具有的有益的效果是：构造方法简单，性能稳定，工作频率易于确定，并且可以用于构造微波、红外和光频段的异向介质。
附图说明
图1是介质谐振器的基本形式图；
图2是异向介质谐振器单元的工作原理；
图3是异向介质谐振器单元的排列方式示意图。
具体实施方式
图1是介质谐振器的基本形式图。介质谐振器由具有较高介电常数的介质组成，多为圆柱或长方形柱体。由于介质谐振器具有较高的介电常数，电场集中在介质谐振器内部谐振，具有较高的Q值。图1中标记了介质谐振器的上端面1，与其相对的端面是介质谐振器的下端面。
图2是本发明利用介质谐振器实现异向介质单元的工作原理图。图2中间的白色方框是图1中圆形柱体或方形柱体介质谐振器的中心剖面图。将介质谐振器的上端面和下端面两个端面紧密接触导体，如：在介质谐振器两端安装金属片、或镀金属膜、或将介质谐振器放置在两个平行导体面之间，使得两个平行导体面2与介质谐振器3的两个端面接触，构成异向介质谐振器单元。在图2中，上述导体由两个灰色的矩形表示。图2左侧标明了外部电磁场的电场极化方向及波的传播方向。由于介质谐振器3由高介电常数的介质组成，因而介质谐振器内部的等效波长比外部的波长要短。当介质谐振器3沿波传播方向的长度为其内部等效波长的整数倍量级时，介质谐振器3将发生多种模式的谐振。在其中的一种模式中，将形成图2中实线箭头所示的位移电流模式，即谐振器左右两侧的位移电流方向相反。由于上下端面导体平面2的存在，根据电磁场理论的边界条件，介质谐振器中的磁场将分别在介质谐振器与上端面和下端面导体平面2交界处的导体表面上产生表面电流，其电流方向如图2中的虚线箭头所示。该表面电流与上述位移形成电流环路。该电流环路产生的磁场与外部磁场的方向相反，当谐振器Q值足够大时，电流环路产生的磁场将大于外部磁场，从而产生负的等效磁导率。同时由于实线箭头方向的位移电流谐振的存在，导致产生负的等效介电常数。因此，上述结构就构成了一个异向介质单元，同时具有负的等效介电常数和负的等效磁导率。将上述单元按周期或非周期方式排列，即可以构成异向介质。
如图3所示，是异向介质谐振器单元的排列方式示意图。图3为侧视图，图3(a)为采用周期排列的介质谐振器单元，每个单元间的距离相等；图3(b)为采用非周期方式排列的介质谐振器单元，每个单元间的距离并不全相等。采用具有高折射率的介质来制作介质谐振器，使得在介质谐振器内部的等效波长长度远小于外部入射的电磁波波长，从而可以在一个外部波长的范围内，排列多个上述介质谐振器单元，使得所构成的异向介质可以被视作等效介质。

Claims (3)

1.一种利用介质谐振器构造异向介质的方法，其特征在于：将介质谐振器的两个相对的端面紧密接触导体，即在介质谐振器两端安装金属片、或镀金属膜、或将介质谐振器放置在两个平行导体面之间，使得两个平行导体面与介质谐振器的两个端面接触，当介质的介电常数足够大，以使介质谐振器内部的等效波长比外部的波长要短，且介质谐振器的品质因数足够大，以满足当将该介质单元置于外部电磁场中时该介质谐振器内部的电流环路产生的磁场大于外部磁场时，均能构成异向介质谐振器单元，异向介质谐振器单元在同一平面上按周期方式排列或非周期方式排列，即可以构成异向介质。
2.根据权利要求1所述的利用介质谐振器构造异向介质的方法，其特征在于：采用具有折射率大于2的介质来制作介质谐振器，使得在介质谐振器内部的等效波长长度小于二分之一外部入射的电磁波波长，从而可以在一个外部波长的范围内，排列多个上述异向介质谐振器单元，使得所构成的异向介质可以被视作等效介质。
3.根据权利要求1所述的利用介质谐振器构造异向介质的方法，其特征在于：所述的异向介质谐振器单元按周期方式排列，即每个单元间的距离相等；或按非周期方式排列，即每个单元间的距离并不全相等。
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