新型復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用研究.pdf

1、新型電磁結(jié)構(gòu)和材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，在微波、毫米波領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。但是，新型電磁材料的理論和應(yīng)用起步不久，在理論研究、數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用等方面還有待深入。有鑒于此，本文首先通過對(duì)新型電磁材料所具有特殊性質(zhì)的分析，抓住Fermat原理，電磁能量和最小作用量原理等電動(dòng)力學(xué)中的基本概念，推廣和解決了新型電磁結(jié)構(gòu)相關(guān)研究中的一些關(guān)鍵性理論問題。隨后，本文并沒有僅僅停留于單純的理論分析，在后面的章節(jié)中對(duì)幾種典型新型材料中的一些新

2、特性進(jìn)行了探索研究。以具有代表性的矩形柵格PBG周期陣列結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究了線性和非線性Kerr型摻雜兩大類媒質(zhì)情況下主要的一些特性，對(duì)光子晶體的帶隙特性、相干孤子特性以及耗散作用的影響進(jìn)行了深入分析，并給出了計(jì)算實(shí)例。根據(jù)多種新型電磁材料和結(jié)構(gòu)所具有的獨(dú)特電磁性質(zhì)的不同特點(diǎn)，對(duì)其中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行了全波仿真和實(shí)驗(yàn)分析。本文的主要工作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 深入研究了左手媒質(zhì)形成負(fù)折射的機(jī)理，提出了廣義折射率的表示形

3、式，從而對(duì)Fermat原理進(jìn)行了推廣。對(duì)Fermat原理與最小作用量原理的進(jìn)行了對(duì)比分析，并通過路徑積分運(yùn)算，使兩者在宏觀層面上得到了一定的統(tǒng)一。進(jìn)而揭示了相位在作用量原理中的重要作用。
　　 對(duì)新型電磁材料中有關(guān)電磁能量的一些問題進(jìn)行了論述。在Englman等人工作的基礎(chǔ)上，發(fā)展了電磁作用量以及作用量原理的形式。在引入分?jǐn)?shù)微分的基礎(chǔ)上，給出耗散電磁媒質(zhì)中的Lagrange量，并通過推導(dǎo)相應(yīng)的Euler-Lagrange方程獲得

4、了時(shí)域形式的Lorentz媒質(zhì)模型。重新考慮了Hamilton量，系統(tǒng)時(shí)間變換不變量和能量間的關(guān)系，由此得到了與近期文獻(xiàn)工作中相符合的電磁能量形式。討論了基于Lorentz媒質(zhì)模型的色散媒質(zhì)中的Foster定理。以路模型的形式對(duì)電磁能量的進(jìn)行了分析，在理論上建立了Tretyakov和Boardman各自所定義的電磁能量形式之間的聯(lián)系。
　　 分別研究了線性媒質(zhì)和非線性媒質(zhì)光子晶體周期結(jié)構(gòu)。應(yīng)用平面波展開法分析了線性媒質(zhì)光子晶體的

5、帶隙結(jié)構(gòu)。通過提出的作用量形式，采用變分方法分析了二維矩形柵格光子晶體X點(diǎn)孤子的相干耦合特性?？紤]到耗散效應(yīng)的普遍性，通過有耗作用量原理對(duì)于相應(yīng)模型中耗散作用對(duì)孤子特性的影響進(jìn)行了研究。
　　 對(duì)具有代表性的幾種新型電磁媒質(zhì)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，從而對(duì)新型材料所表現(xiàn)出的一些新現(xiàn)象進(jìn)行了探索。對(duì)平板波導(dǎo)中加載不同分布組合的左、右手媒質(zhì)塊進(jìn)行了等效媒質(zhì)模擬，對(duì)平面微帶復(fù)合傳輸陣列及其單元結(jié)構(gòu)所具有的表面波和空間波特性進(jìn)行了電路級(jí)和全