基于Mie谐振的全介质三维左手介质机理及其微带天线应用研究

The phenomenon about high loss and anisotropy in configuration and application prevent metamaterials from moving forward. In this program,a new method is proposed that all-dielectric unit with high permittivity and the displacement current are used to replace the metal resonance unit and conduction current respectively. In this way,the all-dielectic three-dimensional metamatericals with low loss are presented, which is important to further research and application. Using the effective medium theory, the all-dielectic three-dimensional metamatericals based on Mie resonance are researched. The inner relationship between the electromagnetic resonance mode and the negative electromagnetic constitutive parameters are also studied though the electromagnetic resonoance of the unit,so that the overlap and separation of the electric and magnetic resonance modes of the Mie resonance unit can be controled artificially. Furthermore, the characteristic of the all-dielectic three-dimensional metamatericals including loss, dispersion, and cross coupling between the electric and magnetic resonance units are researched. The fundamental theory and the fabrication method of the specific three-dimensional metamatericals are propoesed and tested to improve the performance.Finally,the theory and the fabrication method are applied to improve the preformance of the microstrip antenna, and to provide the theory and fabrication method for metamaterials operated in THz.

本项目针对现有左手介质构造研究及应用中的高损耗、各向异性等瓶颈问题，提出利用高介电常数介质单元替代金属谐振结构、用位移电流替代传导电流，从而摒弃金属结构，构成全介质型的三维低损耗左手介质，对左手介质更深层次的研究与应用具有重要意义。研究出发点是以基于Mie谐振的全介质三维左手介质为研究对象，应用等效媒质理论和Mie散射理论，从单元结构的电/磁谐振出发，研究电磁谐振模式与负电磁本构参数的内在联系，从而对Mie谐振单元电、磁谐振模式的重叠与分离实现有效的人工调控。此外，探究全介质三维左手介质包括损耗特性、色散特性、以及电/磁谐振单元之间的互耦等激发机理及电磁特性，提出具有特定本构参数的三维左手介质基本理论及其构造方法，并通过对样品的测试进行验证，进一步实现性能的改进与完善。最终将其理论与方法应用于改善微带天线的性能中，为工作于THz乃至更高频段的左手介质提供坚实的理论依据和有效的技术实现手段。

人工电磁媒质(Metamaterial)是一种人造的、三维的、周期性的宏观复合结构，它具有许多自然材料所不具备的电磁特性，最典型的如双负介质(等效介电常数和等效磁导率同时为负)和零折射率介质(介电常数或者磁导率的实部为零)。然而，左手介质研究的进一步深入却遇到了其材料自身的瓶颈问题，尤其是太赫兹(THz)及以上波段的左手介质研究受到了很大的制约。由于内部自由电子的谐振效应，在太赫兹及以上波段，金属将表现为色散介质并伴随较大的损耗，这使得基于金属谐振结构的SRR阵列一般不具有等效负磁导率，因此在微波频段上，通过组合金属细导线阵列和SRR阵列构造左手介质的方式不再适用于制作更高频段的左手介质。.全介质人工电磁材料的提出，完美地解决了金属结构在太赫兹或是光波段等较高的工作频段上无法正常工作的问题。利用介质结构代替金属结构，用位移电流代替传导电流，从而摒弃金属结构，构成全介质型的人工电磁媒质。虽然国内外对该种技术的研究发展十分迅速，但是全介质人工电磁媒质在很多方面的研究并不完善，仍有很多理论、实践上的问题亟待解决。其比较突出的问题有，目前针对全介质结构的研究大部分仍然局限在介质颗粒很小，并且互相间的耦合忽略不计的情况之下。并且由于全介质结构人工电磁媒质在实际的加工测试过程中对材料的性能有很大的要求，需要材料的介电常数足够，并且损耗尽量低，因此对高介电常数全介质结构的加工也是一个比较难于解决的问题。基于此，本研究以高介电常数介质小块为模型进行分析，以Maxwell-Garnett理论，Mie散射理论，混合媒质理论以及Clausius-Mossotti方程为基础，对高介电常数介质块内部的谐振模式展开分析，并利用NRW遗传算法对入射到介质块上的透射波和反射波进行反推演，得到介质块的相对介电常数和磁导率，进而探索流程化的实现所需要的电磁特性的规律。同时将所研究的理论方法应用于实践中，旨在为基于全介质结构的人工电磁媒质新型微波器件的设计奠定理论基础。