毕业设计（论文）-色散对双层单负介质组合填充矩形波导中电磁波模的影响分析.doc

2012届学生毕业论文材料（一）毕 业 论 文 任 务 书课题名称色散对双层单负介质组合填充矩形波导中电磁波模的影响分析姓 名学 号院 系物理与电信工程专 业物理学指导教师2012年1月6日一、论文的教学目的 通过对毕业论文的写作,了解毕业论文的基本要求和写作过程,了解论文的研究方法，培养文献检索能力、创新能力、运用计算机软件解决实际问题能力、文字表达能力、英语知识的运用能力等。二、论文的主要内容1. 综述电磁波在双层单负介质组合填充矩形波导中波导中传输特性；2. 求解频率和传播常数的关系，分析色散对电磁波模的影响。 三、论文的基本要求1. 标题明确有概括性；2. 正文观点正确，论证充分，数据准确，条理清晰；3. 有中英文摘要以及关键词，提供参考文献；4. 字数不少于6000字。四、进度安排序号论 文 各 阶 段 内 容起止日期1确定选题、指导老师下达任务书2011-1- 22论文开题答辩2011-01-183交初稿2011-03-254交第二稿2011-04-255交第三稿2011-05-256交定稿2011-06-017论文答辩2011-06-05-12五、主要参考文献1 Veselago V G. The electrodynamics of substances with sim ultaneously negative values of and J . Sov Phys Usp, 1968, 10(4): 509 -514.2 赵春晖，张朝柱.微波技术M.北京：高等教育出版社，2007:65-70. 3 Koray Aydin.Negativere fracti on using true left-handed Metamate rialsD.Depar-tment of physics and the instistute of engineering and science of Bikkent University,2004.4 Mackay T G. Plane waves with negative phase velocity in isotropic chiral mediumsJ. Microwave and Optical Techno logy Letters;2005;45(2):120-121.5 Shelby R A,Smith D R,Nemat-Nassr S C,Schultz. Smicrowave transission through a Two-dimensiona,liso-tropic,left-handed metamterialJ. Appl Phys Lett. 2001, 78(4): 489-491. 6 王振永,周骏,张玲芬等. 左手介质矩形波导导模和表面模的场分布J.光学学报,2008.28(8):1558-1564.7 项阳,吴保中,鲍峻松等.ENG-MNG介质组合填充矩形波导的TE模传播特性分析J. 微波学报,2001, 78(4): 489-491.8 AlA, Engheta N. Guided modes in a waveguide filled with a pair of single-neg-ative(SNG),double-negative(DNG), and/or double-positive (DPS) layers J.IEEE Transactions onMicrowaveTheory andTechniques,2004, 52(1): 199-2109 AlA,EnghetaN.Pairing,an epsilon-negative slabwith a mu-negative slab: Resona-nce,tunneling and transparencyJ.IEEE TransAntennas and Propagation (SpecialIssue), 2003, 51(10): 2558-257110 AlA, Engheta N. Mono-modalwaveguides filled with a pair of parallel epsilon-negative (ENG) and mu-negative(MNG) metamaterial layersC. IEEE MTTS IntMi-crowave Symp Dig, Philadelphia, PA, 2003. 313-316.2011届学生毕业论文材料（二） 学 生 毕 业 论 文开 题 报 告 书课题名称色散对双层单负介质组合填充矩形波导中电磁波模的影响分析姓 名学 号院 系物理与电信工程专 业物理学指导教师2011年01月16日论文题目色散对双层单负介质组合填充矩形波导中电磁波模的影响分析课题的根据：1）说明本课题的理论、实际意义 2）综述国内外有关本课题的研究动态和自己的见解1）本课题的理论、实际意义1本课题的理论意义负折射材料有很多不同于常规的电磁特性，如相位连续滞后能量和方向传播方向相反，电磁波通过普通介质和负折射介质分界面时电磁波的折射系数小于零等。人们对双负介质的研究远远多于单负介质应用的研究。单负介质是介电常数和磁导率小于零的介质。而从人工介质构造的复杂程度上来说，单负介质构造比双负介质构造简单，对单负介质的研究更有实际意义。如果电磁波在某一种单负介质(0或0)中传播时，由于传播常数为虚数，呈现凋落模式，而无法传播。但如果将两种单负介质组合起来填充到平行板波导，则会有很多特殊的不同于常规，也不同于负折射介质的传播特性。由单负材料和负材料交替生长形成一维光子晶体则存在与入射角和极化无关的共振隧穿模。利用矩形传输法发现它的透射谱具有2个共振隧穿模，两个共振隧穿模随着重复周期数m、n和介质d的厚度的变化而发生简并或分裂，即共振隧穿模的位置、间距和条数可调。另外，在各种参量变化过程中，两共振隧穿模的对称中心频率位置只产生微小移动。2本课题的实际意义基于透射谱特性为单负材料光子晶体在光学滤波器的设计和实际应用，有广泛的运用，且发展前景很光明。另外基于TE波和TM波矩形传输过程中的一些反常特性，可以运用于信号传输，更加有效、节约的传输信号，减少传输过程中能量的消耗和其他波的干扰！2）国内外的研究动态和自己的见解1. 国内外研究动态自1967年提出了负折射介质的概念，对电磁波在其中传播的色散方程、反多普勒效应、负折射效应、 以及左手特性进行了深入的研究。10年前, Smith教授受到等离子在一定频段产生等效负介电常数这一现象的启发，首次提出构造人工负折射介质的方法，同时提出了单独具有负介电常数和负磁导率的介质构造方法。自此，人们对负折射介质越来越关注。并且2000年人们制作出了等效介电常数和等效磁导率同时为负数的媒质；而后又发现了等效介电常数和等效磁导率分别为负数的单负折射材料。2. 本人见解TE波在两种单负介质组合填充矩形波导的传输特性已经有学者研究分析,而TM波在两种单负介质组合填充矩形波导中的传输特性研究尚未见报道，本人将综合应用边界条件和分离变量法研究TM波在两种单负介质组合填充矩形波导中的传输特性,通过与TE波的传输特性比较，综合比较TE波和TM波的传输特性课题的主要内容：1. 将简单综述电磁波在负介质的传输特性研究现状；2. 将用分离变量法求解TM波和TM波，再根据边值关系进一步求解色散关系，最后数值求解传播常数变化趋势；3. 将对数值计算结果进行分析，得到相应的结论。研究方法：1文献检索法：查阅资料，进行分析总结，形成自己的观点及研究方向。2分离变量法：用分离变量法求解TM波和TM波。3归纳总结法：对数值计算结果进行归纳总结，得到相应的结论。完成期限和采取的主要措施：2011年3月25日交初稿 查阅相关资料，初步完成论文写作；2011年4月25日交第二稿 综合指导老师的意见，对论文进行修改；2011年5月25日交第三稿 再次综合指导老师的意见，修改论文不妥之处；2011年6月1日 交定稿 按指导老师的最终要求，进一步完善论文；2011年6月5日-6月12日 论文答辩参考文献：1 Veselago V G. The electrodynamics of substances with sim ultaneously negative values of and J . Sov Phys Usp, 1968, 10(4): 509 -514.2 赵春晖，张朝柱.微波技术M.北京：高等教育出版社，2007:65-70. 3 Koray Aydin.Negativere fracti on using true left-handed Metamate rialsD.Depar-tment of physics and the instistute of engineering and science of Bikkent University,2004.4 Mackay T G. Plane waves with negative phase velocity in isotropic chiral mediumsJ. Microwave and Optical Techno logy Letters;2005;45(2):120-121.5 Shelby R A,Smith D R,Nemat-Nassr S C,Schultz. Smicrowave transission through a Two-dimensiona,liso-tropic,left-handed metamterialJ. Appl Phys Lett. 2001, 78(4): 489-491. 6 王振永,周骏,张玲芬等. 左手介质矩形波导导模和表面模的场分布J.光学学报,2008.28(8):1558-1564.7 项阳,吴保中,鲍峻松等.ENG-MNG介质组合填充矩形波导的TE模传播特性分析J. 微波学报,2001, 78(4): 489-491.8 AlA, Engheta N. Guided modes in a waveguide filled with a pair of single-neg-ative(SNG),double-negative(DNG), and/or double-positive (DPS) layers J.IEEE Transactions onMicrowaveTheory andTechniques,2004, 52(1): 199-2109 AlA,EnghetaN.Pairing,an epsilon-negative slabwith a mu-negative slab: Resona-nce,tunneling and transparencyJ.IEEE TransAntennas and Propagation (SpecialIssue), 2003, 51(10): 2558-257110 AlA, Engheta N. Mono-modalwaveguides filled with a pair of parallel epsilon-negative (ENG) and mu-negative(MNG) metamaterial layersC. IEEE MTTS IntMi-crowave Symp Dig, Philadelphia, PA, 2003. 313-316.指导老师意见：签名： 年 月 日 开 题 报 告 会 纪 要时间地点与会人员姓 名职务(职称)姓 名职务(职称)姓 名职务(职称)会议纪要： 主持人： 记录人： 年 月 日指导小组意见 负责人签名： 年 月 日系部意见 负责人签名： 年 月 日毕业论文答辩申请表学 号071210130姓 名邓毅院 系物理与电信工程系专 业物理学指导教师熊翠秀讲师论文课题名称标准火球模型下伽玛射线暴余辉演化的研究论文要求及进程计划起 止 时 间任 务 要 求完成情况指 导 教 师签 名2010-12- 16确定选题、指导老师下达任务书2011-01-16论文开题答辩2011-03-25交初稿2011-04-25交第二稿2011-05-25交第三稿2011-06-01交定稿毕业论文特色简介（数量、质量、创新）：本论文用6000字左右的篇幅，用分离变量法得到TM波的纵向分量；再根据横向分量与纵向分量之间的关系得到了两种单负介质组合填充矩形波导的TM波的场通解；最后应用边界条件得到了两种单负介质组合填充矩形波导的传播常数解；以模式1为例，分析了在不同介电常数和磁导率下传播常数、截止波数与填充厚度之间的关系。是否同意参加答辩意见：主指导教师（签名）年 月 日2011届学生毕业论文材料（三）学 生 毕 业 论 文答 辩 评 审 表课题名称两种单负介质组合填充矩形波导的传输特性分析姓 名杨明军学 号071210105院 系物理与电信工程专 业物理学指导教师熊翠秀 讲师2011年 6 月 1 日毕业论文成绩评定标准及评审表（理工科类）专业：物理学 课题：两种单负介质组合填充矩形波导的传输特性分析 学生：杨明军分块 等级及得分项 目（该项满分值）评 分 等 级各 档 得 分评分ABCDABCD指导教师40%完成任务的水平和质量501资料搜集与整理论证情况（10）齐全较完全基本齐全差9-107-85-642基本概念和理论情况（10）清楚、正确基本清楚基本正确尚清楚尚正确不清楚不正确9-107-85-643计算方法和计算结果（15）正确、应用计算机较多基本正确少量应用尚正确尚应用不正确未应用13-1510-127-964独立见解和应用价值（5）有、较大有、一般有、无或无、一般无、无54325说明书、图纸（10）层次分明、正确无误、认真工整、外文提要正确基本正确、较认真、较明确尚正确、尚认真、基本正确错误很多、认真、不正确9-107-85-64独立工作能力306方案制定、选用（10）独立完成且正确基本独立完成正确尚能独立完成基本正确不能独立完成且错误很多9-107-85-647规范和手册使用（8）熟练基本熟练尚可基本不会87658编程、上机结果的分析与处理、国内外文献阅读（12）熟练主动查阅消化引用基本熟练查阅、有引用尚可尚能查阅引用基本不会查阅引用11-129-107-86工作态度209遵守纪律（10）好较好一般差9-107-85-6410爱护公物、保持良好环境（5）好较好一般差543211工作责任心、主动性（5）强较好一般差5432材料评阅人30%1任务完成情况（10）全部完成基本完成主要部分完成未完成9-107-85-642基本概念和理论论证情况（20）清楚、正确基本清楚基本正确尚清楚、尚正确不正确、未应用18-2015-1712-14113计算方法和计算结果（30）正确、应用计算机较多基本正确少量应用尚正确、未应用不正确、不应用26-3021-2516-20154独立见解和应用价值（10）有、较大有、一般有、无或无、一般无、无9-107-85-645说明书、图纸（20）层次分明、正确无误、认真工整，外文提要正确基本正确、较认真、较正确尚正确、尚认真、基本正确错误很多、不认真、不正确18-2015-1712-14116题目难度大小、工作量（10）难、饱满知中、较饱满较易、尚饱满易、不饱满9-107-85-65答辩委员30%1报告情况（20）简明、清晰、重点突出基本清晰重点不够尚清晰、有错概念不清错误较多18-2015-1712-14112回答问题情况（50）正确、熟练基本正确尚正确、有错基本不正确43-5035-4227-34263说明书、图纸（20）总体印象认真、工整、正确较认真尚认真不认真18-2015-1712-14114独立见解和应用价值（10）有、较大有、一般有、无或无、一般无、无9-107-85-64说明：1本方案供院系部参考，评分方案和比例均可根据实际情况进行调整。 2学生的答辩成绩取诸答辩委员会的平均成绩。 3答辩委员会除给出答辩成绩外，还应汇总和审查指导教师、材料评阅人给出的成绩，然后分档（优90；良80-89分；中70-79分；及格60-69分；不及格59分）给出学生毕业论文成绩。指导教师评审意见评语：评分（百分制） 指导教师（签名）： 年 月 日评阅教师评审意见评语：评分（百分制） 评阅教师（签名）：年 月 日答辩小组意见评语：评分（百分制） 负责人（签名）： 年 月 日院系学术委员会意见评语：论文最终评分（） 评定等级 负责人（签名）：院系（公章） 年 月 日注：评语包括论文优点、缺点、数据、材料、论证、结论是否正确，有无新的见解等。等级标准：优90；良80；中70；及格60；不及格60； 答 辩 会 纪 要时间地点答辩小组成员姓 名职 称所 学 专 业所 从 事 专 业答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录： 会议主持人：记 录 人： 年 月 日2011届学生毕业论文材料（四）学 生 毕 业 论 文课题名称两种单负介质组合填充矩形波导的传输特性分析姓 名杨明军学 号071210105院 系物理与电信工程系专 业物理学指导教师熊翠秀 讲师2011年6月01日湖南城市学院本科毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文作者签名： 二一一年 六 月 一 日 目 录摘 要1关键词1Abstract1Key words1引言11. 双层单负介质组合填充波导中的场21.1 填充模型与波导中的电磁场21.2 无耗单负介质分界面处边界条件41.3 波导内的能量42. 场解52.1 和介质厚度的关系62.2 传播常数和介质厚度的关系7结 论8参考文献8致 谢9II两种单负介质组合填充矩形波导的传输特性分析摘 要：本文基于磁单负介质和电单负介质组合填充矩形波导结构，用分离变量法，得到TM波的纵向分量，再根据横向分量与纵向分量的关系，得到了两种单负介质组合填充的矩形波导的TM的场的通解，最后应用边界条件得到了双层单负介质填充波导的色散方程。分析了在不同介电常数、磁导率的情况下，传播常数和Y方向的波数与介质厚度之间的关系，得出在这种情况下传播常数及Y向截止波数的变化情况。关键词：单负介质；矩形波导；边界条件；分离变量法Analysis of Transmission Properties of a Rectangular Waveguide Filled with Two Kinds of Single Negative MediaAbstract: This paper based on the structure of a rectangular waveguide filled with the magnetic single negative media and electric single negative media, using themethod of variable separation, got the longitudinal component of TM waves; according to relation of transverse component and longitudinal component, the general solutions of TM waves are got; then using the boundary conditions, thedispersion equation was got. At last, the relation of propagation constant with the thickness of electric single negative media was analyzed, and the diversification trend of propagation and wave number of Y axis was obtained.Key words: Single negative media；Rectangular waveguide；Boundary conditions； Method of variable separation 引言 VeselagoVG提出了负折射介质的概，负折射率材料是指介电常数和磁导率同时为负的人工合成材料，电磁波在这种介质中传播时将显现出与通常介质不同的各种逆向式反向效应。如负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射等等。但是，由于在自然界中并未观察到这种物质的存在，也没有产生负磁导率和介电常数的材料和方法参，因此，负折射率材料在其概念提出以后几十年一直因无法验证而成为一种假说。多年来没有得到大的发展，直到1996年，英国物理学家J.B.Pendry的研究使左手介质的人工实现成为可能。他用一定密度周期性排列的金属丝陈列得到了介电常数为负的介质。1999年他使用金属谐振环材料构造了等效磁导率为负的人工负介，并且在实验中得到了证明。研究了电磁波在其中传播的色散方程，反多普勒效应。负折射效应以及左手特性，10年前SMITH教授受到等离子在一定频段产生等效负介电常数这一现象的启发，首次提出构造人工负折射介质的方法，同时提出了单独具有单负介电常数和负磁导率的介质构造方法。本文探讨研究电磁波在一种单负介质（ 或）中传播时，由于传播常数为虚数，呈现凋落模，而无法传播。但如果将两种单负介质组合起来填充到平行板波，则会有很多特殊的不同与常规,也不同于负折射介质的传输特。1 双层单负介质组合填充波导中的场1.1 填充模型与波导中的电磁场标准波导填充双层介质如图1.1所示。图1.1单负介质组合填充波导截面图TM波的纵向场分量为:介质1中: （1.1）介质2中: （1.2）其中和是两种介质中场的幅度, 和为两种介质中x向波数, 和为两种介质中y向波数, 和为两种介质中电磁波的传播常数。、是电单负介质中的介电常数和磁导率, 、是磁单负介质中的介电常数和磁导率, 为角频率, 和分别为两种介质的厚度。若介质 1和介质2为单负介质: 0, ，皆为虚数，则必须有，但、必须有实数，否则无法满足边界条件，那么就一定有、为虚数。不妨令：，横向场分量10： （1.3）则介质1中: （1.4） （1.5） （1.6） （1.7）介质2中: （1.8） （1.9） （1.10） （1.11）1.2 无耗单负介质分界面处边界条件上述电磁场，在y=0两侧处的必须满足如下的边界条件111） Z向电场连续 （1.12）得到满足边界条件的必要条件：2）X向电场连续 （1.13）3）Y向电位移矢量连续 （1.14）可以得到： (1.15) (1.16)1.3 波导内的能量根据场公式，计算波印亭矢量： 其中Z向传播能量为：介质1中： （1.17）介质2中； （1.18）由此可见两种介质中能量的传播方向是相反的。同时对于填充波导来说, 传导能量主要集中于介质的分界面两侧，从分界面到波导壁传导能量指数衰减。假设波导x向模式数为1，也即沿波导宽边方向电场呈半波长分布，此时对波印亭能流密度进行截面积分，得到在电单负介质中: （1.19） （1.20）2 场解下面讨论当波导长短边为a=0.05m、+=b=0.02m时，波导中场的传播常数与介质厚度之间的变化关系。根据（1.16）式得到波导中各个方向的波数之间的关系： （2.1）同时满足 2.1 和介质厚度的关系（1）由于宽边方向的截止波数必须使得电磁场方程满足边界条件,因此，其中为模式。根据(2.1)式可得到： （2.2） （2.3）下面主要研究模式1的Y方向的截止波数与介质厚度的关系，取、时，可以得到、与的关系曲线，所得结果如图2.1所示。图2.1 时，模式1的和介质厚度的关系图 由图可看出在介质1和介质2中沿着Y方向的截止波数是不相等的，一方面截止波数随着介质厚度的变大而变大且连续，这与填充单一介质有所不，另一方面随着的增大始终有。（2）根据，有。此时由（2.1）式可以变为 （2.4）不妨设，那么可以证明要使得方程（2.2）有解的必要条件是：。取、时，时，可以得到在模式1下和的关系如图2.2所示。可以看出在不满足的区域截止波数为零，介质1和介质2中沿着Y方向的截止波数是随着介质厚度（除=0.01）增大而变大且连续。图2.2 时，模式1的和介质厚度关系图2.2 传播常数和介质厚度的关系对模式1，在时，取、在时，取、时可得到图2.3。由图可看出在、两种情况下传播常数都随着介质厚度的增大而增大且连续，开始阶段：时的曲线无解，曲线呈凸型；时，曲线呈凹型。大概从时开始，两种情况下传播常数随介质厚度变化的曲线相同。图2.3 模式1的传播常数和介质厚度的关系图结论文章通过对双层单负介质填充波导的理论分析，以模式1为例，详细分析了Y向截止波数和介质厚度之间的变化关系、传播常数和介质填充比例的变化关系。通过对这些关系的对比分析得出：（1）传播常数和Y方向的截止波数都随着介质厚度的增大而增大且连续；（2）当较小的情况下，时，与的关系曲线呈凹，而时，与的关系曲线呈凸型；（3）在变化不大的要求下，时，的可调范围更广，也就是比较小时，随着增大，不会有很大的变化，也就是信号比较稳定，而时，很小的情况下电磁波不可传播，当稍微大一点时，电磁波可以传播，但是随的变化而变化范围较大，也就是信号不太稳定，因此，的两种单负介质组合填充的矩形波导比的两种单负介质组合填充的矩形波导的可靠性更好。参考文献：1 Veselago V G. The electrodynamics of substances with sim ultaneously negative values of and J . Sov Phys Usp, 1968, 10(4): 509 -514.2 Shelby R A,Smith D R,Schult S. Experinental verifrcation of a negative index of refraction J. Science,2001,292(5514) : 7-79.3 Koray Aydin.Negativere fracti on using true left-handed Metamate rialsD.Department of physics and the instistute of engineering and science of Bikkent University,2004.4 Mackay T G. Plane waves with negative phase velocity in isotropic chiral mediumsJ. Microwave and Optical Techno logy Letters;2005;45(2):120-121.5 Shelby R A,Smith D R,Nemat-Nassr S C,Schultz. Smicrowave transission through a Two-dimensiona,liso-tropic,left-handed metamterialJ. Appl Phys Lett. 2001, 78(4): 489-491. 6 王振永,周骏,张玲芬等. 左手介质矩形波导导模和表面模的场分布J.光学学报,2008,28(8):1558-1564.7 AlA, Engheta N. Guided modes i