电磁超介质的设计及其应用

论文摘要

电磁超介质是一种具备自然界材料所不具备的特殊物理性质的人工介质材料。例如左手材料,他具有负折射特性、完美透镜特性、逆多普勒特性等特殊的物理性质,并且当电磁波在其中传播时,在某频率范围内电场强度E、磁场强度H及波失k之间构成左手定则关系。由于这些特异性质,有关电磁超材料的研究成为重要的研究课题。目前各种新型的左手材料结构相继提出,同时左手材料的应用也得到飞速的发展。本文基于传输线理论及电谐振与磁谐振原理研究了左手材料新构型的设计方法,给出了给定频段左手材料结构参数的优化设计模型,利用电磁超介质的特殊物理性质设计了一种微带天线,微带天线的各项性能得到了提高。根据左/右手传输线理论及电谐振与磁谐振原理分别设计了双面左手材料和单面左手材料。利用电磁仿真及参数反演方法获得了两种左手材料的电磁性能,结果表明在一定频率范围内,等效介电常数、等效磁导率及折射率同时为负值,说明本文所构造的两种左手材料具有左手性质。分析了这两种左手材料产生左手性质的机理,并且研究了尺寸参数的改变对左手频段及左手带宽的影响。针对左手材料在实际应用中存在左手带宽窄、损耗高的问题,本文提出了一种左手材料优化方法。给出了优化方法的数学模型,通过优化可以构造出在给定频段内具有最大带宽、较小损耗的左手材料结构。利用该优化方法分别对本文构造的两种不同结构的左手材料进行了优化,在不同的给定频段下,分别获得了两种具有最大带宽、较小损耗的最佳结构,验证了本文提出的左手材料优化方法的准确定和可行性。构造了一种负磁导率结构微带天线,相对于普通微带天线,该微带天线具有更大的增益和带宽。设计了一种二维的负磁导率结构,当电磁波沿x轴或z轴入射时,该结构的等效磁导率为负值,在该频段内电磁波不能在此结构中传播。将负磁导率结构印制在普通微带天线的基板上形成负磁导率结构微带天线,对比普通微带天线,该天线在工作频率附近回波损耗及带宽增大,同时天线的增益有所提高。仿真结果表明,负磁导率结构的加载成功抑制了微带天线中表面波的传播,提高了微带天线的辐射效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 左手材料的研究进程
• 1.3 左手材料的性质
• 1.3.1 负折射特性
• 1.3.2 完美透镜特性
• 1.3.3 逆多普勒特性
• 1.3.4 逆切伦科夫特性
• 1.4 电磁超介质的分类
• 1.4.1 结构型
• 1.4.2 传输线型
• 1.4.3 光子晶体型
• 1.5 本文的内容
• 2 给定频段内左手材料的设计
• 2.1 引言
• 2.2 传输线理论
• 2.2.1 左手传输线方程
• 2.2.2 等效介电常数及等效磁导率的确定
• 2.2.3 复合左/右手传输线模型
• 2.3 左手材料的构造与仿真分析
• 2.4 左手特性产生的机理
• 2.5 尺寸参数对左手特性的影响
• 2.5.1 线宽的影响
• 2.5.2 大环宽度b的影响
• 2.5.3 小环尺寸的影响
• 2.6 实验验证
• 2.7 特定频段左手材料结构参数设计优化
• 2.7.1 优化问题的数学模型
• 2.7.2 设计实例
• 2.8 本章小结
• 3 新型左手结构的结构设计与分析
• 3.1 引言
• 3.2 结构设计
• 3.3 结构的谐振分析
• 3.4 结构尺寸参数对左手性质的影响
• 3.4.1 角度θ对结构左手性质的影响
• 3.4.2 水平臂长l对结构左手性质的影响
• 3.5 结构参数优化
• 3.6 本章小结
• 4 电磁超介质在微带天线上的应用
• 4.1 引言
• 4.2 微带天线简介
• 4.2.1 微带天线的主要参数
• 4.2.2 微带天线的馈电方式
• 4.2.3 微带天线的辐射原理
• 4.3 微带天线的设计
• 4.4 电磁超介质的应用
• 4.4.1 应用简介
• 4.4.2 负磁导率结构的设计
• 4.4.3 微带天线刻蚀负磁导率结构
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢