微波左手材料中的非对称结构特征与微带天线

摘要

左手材料(LHMs)是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料，因其中传播的电磁波的电场矢量、磁场矢量以及波矢方向满足左手定则而得名。左手材料概念最初由前苏联物理学家Veselago于1968年提出，他从Maxwell方程出发，分析了电磁波在介电常数和磁导率同时为负介质中传播的状况，从理论上指出这种介质存在是不违反物理学定律的，并且具有负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、完美透镜等奇异物理现象。但自然界不存在这种性质特异的物质，故在该理论提出的近30年内左手材料发展几乎处于停滞状态。20世纪九十年代，随着人工周期性材料的发展，英国皇家学院院士Pendry教授重新开始了该领域研究。2001年Smith等人根据Pendry的理论模型，首次制备出微波段具有负介电常数、负磁导率材料，并通过实验观察到了负折射现象。随后左手材料研究取得重大突破，并被《Science》杂志评为2003年度十大科技进展之一。现阶段，左手材料的研究向多方向发展，主要包括利用已有左手材料对其物理特性的进一步研究、新的材料设计理念的提出以及红外和可见光波段左手材料的研究等。 本文分别研究了波导和空间中微波左手材料的非对称结构特征，并且把左手材料应用到微带天线中，制得左手材料微带天线。主要得出如下结论： 1、研究了X方向环杆中心不对称的左手材料微波透射和反射现象，采用波导法测量了环中心相对于杆中心的偏移量对左手透射峰的影响。实验发现左手材料微波透射谱呈“M”状，即在左手透射峰内出现了一个禁带，且禁带位置受环杆中心位置偏移量调节，不对称的引入使得左手透射峰的强度增强，左手频段增宽；X方向环杆中心不对称左手材料的反射谱呈“W”形，其左手透射峰的禁带对应于反射峰极大值，且“w”形反射峰相对于“M”形透射峰发生蓝移。通过不同类型的不对称结构的研究，可以认为环杆间的电磁耦合不对称、环的开口边与波导上下壁的耦合作用是引起左手透射峰出现禁带的主要因素。 2、研究了Z方向环杆中心不对称的左手材料微波透射和反射现象，采用波导法测量了环中心相对于杆中心的偏移量对左手透射峰的影响。实验表明，环杆中心偏移量在[0，a/2]区间变化时(a为SRRs的晶格常数)，左手材料透射谱由单峰变成“M”形的双峰，即在左手透射峰内出现禁带，最后又变成单峰，禁带的出现使左手透射峰的总频段增宽，峰值强度增强；Z方向环杆中心不对称程度可以调节“M”形左手透射峰左右峰的频宽和峰值，在(0，a/2)区间，左边透射峰的频宽由开始时比右边透射峰的频谱宽，峰值高，逐渐变化到比右边透射峰的频谱窄，峰值低，即由“左高右低”变化到“左低右高”；Z方向环杆中心不对称左手材料的反射谱呈“W”形，其左手透射峰的禁带对应于反射峰极大值。我们认为环和杆间电磁耦合不对称是导致左手透射峰中出现禁带的原因。 3、设计并制作了微波暗箱。利用微波反射原理，设计了X波段微波透射、反射暗箱。采用吸波材料，自制了测试材料空间透射、反射行为的装置。研究了空间金属杆长度对杆谐振频率ω0的影响，发现调节金属杆的长度可以提高杆的电连续性，降低谐振频率ω0；设计了上下两侧有金属条将杆连通的空间杆样品，谐振频率进一步降低，且透射谱没有明显的起伏。 4、研究了空间非对称左手材料的微波透射和反射现象。发现，通过调节一组两行环的位置左手材料微波透射谱呈“M”形，即在左手透射峰内出现了一个禁带，且禁带的位置受该组环偏移量δ调节。随着偏移量δ增大，禁带的位置向高频移动，与波导中的规律一致，且左右峰值强度差先增加后减小，与对称LHMs样品透射谱相比，其左手透射峰中心谐振频率向高频移动；为了增强左手材料非对称性，同时调节三组两行环的位置发现左手材料微波透射谱呈“M”形，即左手材料的透射峰被禁带分成两个峰。随着环偏移量δ增大，左边透射峰的峰值由开始的比右边高，逐渐变化到两边基本相等，最后比右边低，即由“左高右低”变化到“左低右高”；测量环偏移量δ发生变化时左手材料样品的反射特性，发现透射谱呈“M”形的样品其反射谱呈“W”形，且随着偏移量δ变化，其反射峰极大值的频率向低频移动。我们认为一组或三组两行环的位置偏移造成该组环与上下环电磁耦合不对称，以致整体环与杆电磁耦合不对称，引起禁带现象。 5、研究了左手材料微带天线。通过与普通贴片天线输入回波损耗、边射方向和基底方向电磁波能量辐射的比较，发现天线的有效工作带宽增加，驻波比小于2时，左手材料微带天线带宽增加了125MHz天线的输入回波损耗S11减小，天线匹配性能得到了改善；边射方向上，左手材料微带天线比普通微带天线电磁波能量辐射提高了2.82dB；基底方向上，左手材料微带天线比普通微带天线电磁波能量辐射则减小了近20dB。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第二章 左手材料研究进展及微带天线

2.1左手材料的基本概念

2.2左手材料的电磁特性

2.3左手材料的实现

2.4左手材料的应用及展望

2.5微带天线基本理论及设计原理

参考文献

第三章 波导中左手材料的非对称结构特征的研究

3.1引言

3.2 X方向环杆中心不对称结构的研究

3.3 Z方向环杆中心不对称结构的研究

3.4本章小结

参考文献

第四章 空间中左手材料的非对称结构特征的研究

第五章 左手材料微带天线的研究

第六章 全文总结

攻读硕士学位期间完成的论文及专利

致谢