基于铁氧体的左手材料的仿真与实验研究
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Firstly, the microwave electromagnetic properties and its influencing factors were simulated for the composite structure consisting of metal wires and SRRs. The work laid a foundation of further computer simulation.
最后，本文模拟仿真了铁氧体与金属线复合结构的微波特性，其中负磁导率利用铁 氧体的自身磁共振直接产生。采用Lorentz和Gyrotropic两种模型仿真铁氧体的共振型磁 谱，并对这两种模型的适用性进行了对比。Lorentz模型适用于材料的各向同性的共振型 参数的模拟仿真，例如铁氧体中的自然共振和畴壁共振。在铁磁共振条件下，铁氧体的 磁导率各向异性，应用张量表示，因此应该采用Gyrotropic模型进行仿真计算。仿真结 果显示金属线与Lorentz型磁介质复合不利于左手特性的产生，但金属线与Gyrotropic型 磁介质复合可以产生显著的左手现象。该研究对铁氧体/金属线复合结构左手材料的设 计具有具体的指导意义。
签名：___________ 日期：____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
作者：_________艾____芬____________
指 导 教 师：
乔利杰 教授
单位： 北京科技大学
Hale Waihona Puke 论文提交日期：2007 年 12 月 19 日
学位授予单位：北 京 科 技 大 学
基于铁氧体的左手材料的仿真与实验研究
Simulation and Experimental Research on Left-hand Material based on Ferrite
本文首先采用仿真计算了金属环线结构左手材料的微波电磁特性和影响因素，为进 一步的仿真工作奠定基础。
其次，本文提出将铁氧体作为金属环线结构的介质基板，利用其磁导率的外场调制 特性实现可调左手材料。仿真计算结果显示，随基板材料介电常数或磁导率的增加， SRR的谐振频率向低频方向移动。按照仿真模型，实际制备出以超高频软磁铁氧体为基 板的SRR结构，通过外加磁场改变基板的磁导率有效地调控了SRR的谐振频率，实现可 调左手材料。实验结果与仿真计算很好吻合。该研究为可调左手材料的实现提供了一条 简单易行的新方法，可推动可调左手材料微波器件的研究开发。
ii
北京科技大学硕士学位论文
the composite structure of Lorentz-type magnetic medium and metal wires does not. This study can promote the design of LHMs consisting of ferrite and metallic wires.
Secondly, we proposed that a tunable LHM can be realized by using ferrite as the substrate of SRR, owing to the field dependence of ferrite's permeability. The simulation results show that with the rise of substrate's permittivity or permeability, the resonance frequency drops significantly. According to the simulation model, a composite with Y-type hexagonal ferrite as the substrate of SRR have been prepared. The experimental results indicate that its resonant frequency was efficiently controlled by the field, so that a tunable LHM was made. The experimental results agree with the simulation very well. Our study provides a new approach to make tunable LHM, and can also promote the research and development of microwave devices.
独创性说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京 科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。
签名：___________ 导师签名：___________ 日期：____________
北京科技大学硕士学位论文
摘要
左手材料（Left-Handed Material，LHM）是一种同时具有负介电常数和负磁导率的 新型电磁介质，它有负折射系数、反向波、逆多普勒效应等迥异于传统材料的物理特 性，由于在该材料中电磁波的电场方向、磁场方向与波矢方向呈左手坐标系，故被称作 左手材料。自从2000年左手材料的负折射特性首次被实验证明以来，左手材料已迅速成 为国际研究的热点课题之一。目前，左手材料大部分采用印刷电路板上制备金属线和开 口谐振环（SRR）结构，利用金属图案设计实现左手特性。本论文将磁性功能材料-铁 氧体引入左手材料之中，结合计算机模拟仿真和实验，研究了采用铁氧体的左手材料的 电磁特性。
研究生姓名：艾 芬 指导教师姓名：乔利杰 北京科技大学材料科学与工程学院
北京 100083，中国
Candidate：Ai Fen Supervisor：Qiao LiJie School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology Beijing 30 Xueyuan Road，Haidian District Beijing 100083，P.R.CHINA
Key Words：Left-handed material, simulation, tunable, ferrite, resonance
基 于 铁 氧 体 的 左 手 材 料 的 仿 真 与 实 验
艾 芬 北 京 科 技 大 学
分类号：__T_G_3_3_5_．__6___ ＵＤＣ：____O_4_4_2_____
密 级：______公__开______
单位代码：_１___０__０___０__８___
北京科技大学
硕士学位论文
论文题目：基于铁氧体的左手材料的仿真与实验研究
关键词：左手材料，仿真，可调，铁氧体，共振
i
北京科技大学硕士学位论文
Simulation and Experimental Research on Left-hand Material based on Ferrite
Abstract
Left-handed material (LHM), whose permittivity and permeability are simultaneously negative, has some exotic electromagnetic properties, such as negative refraction, backward wave and negative Doppler effect. Because the direction of electric field, magnetic field and wave vector accord with left-hand coordinate system while the electromagnetic wave propagates in the material, the material is called “Left-handed material”. Since the first LHM with negative refraction was made in 2000, LHMs has been one of the most absorbing subjects in recent physical academic domain. Currently, most LHMs are made by etching metallic wires and split-ring resonators (SRR) patterns on the printed circuit board. In this dissertation, we introduced the magnetic functional material of ferrite in the design of LHMs, and the electromagnetic properties were studied through computer simulation and experiment.
Finally, we simulated their microwave electromagnetic property of the composite structure of ferrite and metal wires, where the negative permeability was generated by the ferrite's magnetic resonance. The two models of Lorentz and Gyrotropic were adopted to simulate the frequency dispersion of permeability with resonant behavior, and their applicability were also discussed. Lorentz model is suitable for the simulation of isotropic resonance characters, such as the nature resonance and domain wall resonance in ferrite. Under the condition of ferromagnetic resonance, permeability of ferrite is anisotropic and is expressed in tensor, so it should be simulated in Gyrotropic model. The simulation results show that the composite structure of Gyrotropic-type magnetic medium and metal wires has obvious left-hand characteristics while
最后，本文模拟仿真了铁氧体与金属线复合结构的微波特性，其中负磁导率利用铁 氧体的自身磁共振直接产生。采用Lorentz和Gyrotropic两种模型仿真铁氧体的共振型磁 谱，并对这两种模型的适用性进行了对比。Lorentz模型适用于材料的各向同性的共振型 参数的模拟仿真，例如铁氧体中的自然共振和畴壁共振。在铁磁共振条件下，铁氧体的 磁导率各向异性，应用张量表示，因此应该采用Gyrotropic模型进行仿真计算。仿真结 果显示金属线与Lorentz型磁介质复合不利于左手特性的产生，但金属线与Gyrotropic型 磁介质复合可以产生显著的左手现象。该研究对铁氧体/金属线复合结构左手材料的设 计具有具体的指导意义。
签名：___________ 日期：____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
作者：_________艾____芬____________
指 导 教 师：
乔利杰 教授
单位： 北京科技大学
Hale Waihona Puke 论文提交日期：2007 年 12 月 19 日
学位授予单位：北 京 科 技 大 学
基于铁氧体的左手材料的仿真与实验研究
Simulation and Experimental Research on Left-hand Material based on Ferrite
本文首先采用仿真计算了金属环线结构左手材料的微波电磁特性和影响因素，为进 一步的仿真工作奠定基础。
其次，本文提出将铁氧体作为金属环线结构的介质基板，利用其磁导率的外场调制 特性实现可调左手材料。仿真计算结果显示，随基板材料介电常数或磁导率的增加， SRR的谐振频率向低频方向移动。按照仿真模型，实际制备出以超高频软磁铁氧体为基 板的SRR结构，通过外加磁场改变基板的磁导率有效地调控了SRR的谐振频率，实现可 调左手材料。实验结果与仿真计算很好吻合。该研究为可调左手材料的实现提供了一条 简单易行的新方法，可推动可调左手材料微波器件的研究开发。
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北京科技大学硕士学位论文
the composite structure of Lorentz-type magnetic medium and metal wires does not. This study can promote the design of LHMs consisting of ferrite and metallic wires.
Secondly, we proposed that a tunable LHM can be realized by using ferrite as the substrate of SRR, owing to the field dependence of ferrite's permeability. The simulation results show that with the rise of substrate's permittivity or permeability, the resonance frequency drops significantly. According to the simulation model, a composite with Y-type hexagonal ferrite as the substrate of SRR have been prepared. The experimental results indicate that its resonant frequency was efficiently controlled by the field, so that a tunable LHM was made. The experimental results agree with the simulation very well. Our study provides a new approach to make tunable LHM, and can also promote the research and development of microwave devices.
独创性说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京 科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。
签名：___________ 导师签名：___________ 日期：____________
北京科技大学硕士学位论文
摘要
左手材料（Left-Handed Material，LHM）是一种同时具有负介电常数和负磁导率的 新型电磁介质，它有负折射系数、反向波、逆多普勒效应等迥异于传统材料的物理特 性，由于在该材料中电磁波的电场方向、磁场方向与波矢方向呈左手坐标系，故被称作 左手材料。自从2000年左手材料的负折射特性首次被实验证明以来，左手材料已迅速成 为国际研究的热点课题之一。目前，左手材料大部分采用印刷电路板上制备金属线和开 口谐振环（SRR）结构，利用金属图案设计实现左手特性。本论文将磁性功能材料-铁 氧体引入左手材料之中，结合计算机模拟仿真和实验，研究了采用铁氧体的左手材料的 电磁特性。
研究生姓名：艾 芬 指导教师姓名：乔利杰 北京科技大学材料科学与工程学院
北京 100083，中国
Candidate：Ai Fen Supervisor：Qiao LiJie School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology Beijing 30 Xueyuan Road，Haidian District Beijing 100083，P.R.CHINA
Key Words：Left-handed material, simulation, tunable, ferrite, resonance
基 于 铁 氧 体 的 左 手 材 料 的 仿 真 与 实 验
艾 芬 北 京 科 技 大 学
分类号：__T_G_3_3_5_．__6___ ＵＤＣ：____O_4_4_2_____
密 级：______公__开______
单位代码：_１___０__０___０__８___
北京科技大学
硕士学位论文
论文题目：基于铁氧体的左手材料的仿真与实验研究
关键词：左手材料，仿真，可调，铁氧体，共振
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北京科技大学硕士学位论文
Simulation and Experimental Research on Left-hand Material based on Ferrite
Abstract
Left-handed material (LHM), whose permittivity and permeability are simultaneously negative, has some exotic electromagnetic properties, such as negative refraction, backward wave and negative Doppler effect. Because the direction of electric field, magnetic field and wave vector accord with left-hand coordinate system while the electromagnetic wave propagates in the material, the material is called “Left-handed material”. Since the first LHM with negative refraction was made in 2000, LHMs has been one of the most absorbing subjects in recent physical academic domain. Currently, most LHMs are made by etching metallic wires and split-ring resonators (SRR) patterns on the printed circuit board. In this dissertation, we introduced the magnetic functional material of ferrite in the design of LHMs, and the electromagnetic properties were studied through computer simulation and experiment.
Finally, we simulated their microwave electromagnetic property of the composite structure of ferrite and metal wires, where the negative permeability was generated by the ferrite's magnetic resonance. The two models of Lorentz and Gyrotropic were adopted to simulate the frequency dispersion of permeability with resonant behavior, and their applicability were also discussed. Lorentz model is suitable for the simulation of isotropic resonance characters, such as the nature resonance and domain wall resonance in ferrite. Under the condition of ferromagnetic resonance, permeability of ferrite is anisotropic and is expressed in tensor, so it should be simulated in Gyrotropic model. The simulation results show that the composite structure of Gyrotropic-type magnetic medium and metal wires has obvious left-hand characteristics while
