高频电磁波实验报告.doc

高频电磁波实验引言：最近几年来，一种称为“左手材料(left-handed material)”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈多的关注。所 谓“左手材料”就是指介电常数占及磁导率都为负值的材料。一般地，任何材料都具有两个物理参数，介电常数和磁导率，它们决定该材料与电磁辐射包括光，微波，无线电波，甚至x射线之间的相互作用。由于左手材料的显著特点是它的介电常数和磁导率都是负数，所以有人也称之为“双负介质(材料)；或者“负折射系数材料，简称“负材料”。又由于在左手材料中，其相速度与群速度是反向的，所以它也被称为“回波介质”。这样的材料自从2000年在实验上实现之后，引起了人们广泛的研究兴趣。该种材料具备一些特殊的电磁特性，从而使其具有重要的应用价值。例如，左手材料可用来制造高指向性的天线、激光、聚焦微波波束、以及实现“完美透镜，、用于电磁波隐身等等。它还有可能在新型波导和光纤中得到应用。最近，已有实验报道了磁性纳米结构的复合物在中红外波段其磁导率呈现负值，将这样的材料与介电常数为负值的材料复合可以获得在中红外波段的“左手材料。所谓的“瑞士卷结构可以在兆赫兹频率范围内实现磁导率为负值。如果人们能将产生负折射系数的微波频段拓展到可见光领域，则可能带来更多的光学应用前景。基本理论：1、左手材料1左手材料是一种人工复合材料，是相对于右手材料而言的，而右手材料就是我们常见的普通介质。对于均匀介质而言，介电常数和磁导率是描述其电磁场性质的最基本的物理量，在正常情况下，这俩个物理量都是非负的常数。依据麦克斯韦方程，介电常数和磁导率同时为正值时，电场强度E、磁场强度H、和波矢K三个物理量的方向是呈右手关系的。这样的材料我们称之为右手材料、与此对应，左手材料就是这三个量满足左手定则的介质。图一 实验用双层左手材料 图二 左手右手材料物理量关系2、S参数2S参数（散射参数）用于描述某个器件更改信号的路径。对于二端口器件，有四个S参数（S12 S11 S22 S21）。1端口2端口S21：从1端口进入2端口出去，为2端口透射的量与1端口进入量的比值S11：从1端口进入2端口出去，为1端口反射的量与1端口进入量的比值对于S参数的下标含义为 第二个下标表示进入端口，第一个下标表示投射（反射）的端口则S22 、S12 同理可得去含义其中，对于互易网络，有：S12S21；对于对称网络，有：S11S22 ；对于无耗网络，有：3、驻波比在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅max ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅min ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的声压幅值V max与波节处的声压V min幅值之比。实验仪器：矢量网络分析仪，电缆，喇叭，左手材料等 图三 矢量网络示意图操作 图四 喇叭装置实验装置： 图五 投射测量示意图 图六 反射测量示意图 图七 反射实物图 图八 透射部分实物图实验原理（左手材料如何实现）：3基于自然界中一般存在的都是右手材料，如若想实现制作出左手材料来达到现实使用，则必须有人造材质的干扰。而其中最重要的理论依据则是谐振原理。1999年，Pendry等人提出了一种可以产生负等磁导率的金属结构，即两侧开口的金属谐振环，也称为瑞士卷，如图所示： 图九 图十这种铜制方形裂环震荡回路当有电磁波穿过时等效一个LC震荡回路实验上，2000年美国加州大学圣迭哥分校以DvadiSmiht为首的科研小组将金属丝杆和谐振环有规律的排列在一起，制造出了世界上第一块等效介电常数和磁 导率同时为负数的介质频率范围约为4246GHz。2001年DvadiSmiht等人又构造出了在微波段等效的介电常数与磁导率同时为负的人工介质，并且用实验证了当电磁波入射到左手介质和右手介质界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧我们的实验也正是这种原理只是在材料上选择的是裂圆环谐振。而且我们的实验主要运用于天线方面的作用。然而对于我们的材料其中的差别在于裂圆环和裂方环制造的是双层材料同样在、可以达到此谐振效果。4实验测量结果：图十一（在全部频段的曲线）实验结论： 首先我们需要排除小频率段的数据，此为环境干扰比较大的频段，高频段也需要删除，此频段为我们不需要的。由全部频段来看，本材料在不同频段的效果不同，在6.8-7.2GHz频段内，透射量达到最小，反射量为0 dB，而作为材料在天线上的用途，需要透射量达到最大以增强天线的功能。而同时我们可以看到在11.0-11.5GHz频段，基本全部透射，反射达到最小值（-40dB），换一种说法在此频段可以达到一种吸波的效果，同样可以增强透射的强度，此频段可以利用在增强天线电磁发射方面，甚至我们可以在雷达吸波材料上运用。实验小悟：此实验对于我们09级来说还是蛮有难度的尽管很多方面都不需要我们特殊的专业知识和技能，但是毕竟对这一方面还是很生疏的。个人主要觉得是对谐振的不懂，主要谐振的原理。另外在处理数据中主要遇到的问题是各个频段的不同效果，以及对于吸波、透射和反射的相互关系，当然也和另外俩名同学进行了探讨，毕竟对于在同一侧的入射反射还是有点不好接受。再者就是对于电磁波高频和低频的不同作用，在不同领域的运用。而对于个人，首先对科学有了更近的理解，我们离科学并不远，吸波材料，雷达上的运用，先进的科技极其运用其实离我们很近，这些以及更多方面的研究都不是一种奢想，仅在身边，需要我们去努力提升自己的能力参与其中。当然，对于此类实验我觉得我们应该更多的去参加，所谓大学就是“大概学学”，而当我们真正需要某种东西，需要某一方面的知识，必然会努力的去学。所以说更多的实验，更多的需求则也是一种增强大学生学习的另一途径，至少通过此实验很多的理论，专业名词我们有了新的深刻的理解。References:1.陈文焕, 基于左手材料的微带漏波天线的研究, 2007, 中山大学. 第 56页.2.张懿, 同轴二