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基于微波复合介质材料的滤波器设计.doc
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1、空军工程大学毕业论文(设计)基于微波复合介质材料的滤波器设计摘要本文介绍了微波复合介质材料的相关理论,利用数据仿真对双负材料的电磁结构特性进入深入研究。本文工作的主要成果体现在:利用电磁波在双负传输线上可以产生正相移的特性,实现了由双负特性传输线和传统双正特性传输线组成的混合传输线,提出应用加载串联电容实现负等效磁导率,利用腐蚀地面结构实现负的等效介电常数的新型混合传输线结构,通过双正结构的低通特性和双负结构的高通特性构建超宽带滤波器,仿真结果表明其工作频带宽、带内插损小、设计方便,为实用超宽带滤波器设计提供了另一种设计思路。关键词:微波复合介质材料,双负材料(DNM),混合双负传输结构Abs
2、tractThe theory of microwave composite dielectric material is introduced in this dissertation and its electromagnetic characteristics is investing aced by simulation. The primary work is as follows:In the DNM (Double negative material) can produce a positive phase shift with propagation away from th
3、e source. The composite transmission line is realized by using the double-negative and the double-positive transmission line. The double-negative composite transmission lines structure is composed of the negative permeability realized by the series interdigital capacitors and the negative permittivi
4、ty achieved by defected ground structures (DGS). A novel ultra-wideband filter based on the double-negative composite transmission lines is proposed. The simulation and experiment results indicate that such structures have advantages of wide band, low loss and are easy to design and produce.Key word
5、s: Microwave Metamaterials, Double-negative material(DNM), Double-negative composite transmission structure目录第一章绪论41.1 研究背景及意义41.2 微波复合介质材料的理论研究71.2.1 微波复合介质材料的理论研究81.2.2 微波复合介质材料的研究方法81.2.3 微波复合介质材料的应用研究8第二章微波复合介质材料相关理论102.1 双负复合介质材料的基本特性102.1.1 Maxwell方程组的左手性102.2 双负复合介质材料特有的效应分析152.2.1 逆多普勒(Doppl
6、er)效应152.2.2 逆Snell定律:负折射162.2.3 “LH平板透镜”聚焦192.3 双负复合介质材料的产生基础202.3.1 空间负介电常数的产生方法212.3.2 空间负磁导率的产生方法232.3.3 传输线负介电常数和负磁导率的产生方法282.4 结论32第三章微波复合介质材料传输系统333.1 基于复合介质材料的混合传输线结构超宽带滤波器设计333.1.1 基本设计原理333.1.2 宽带滤波器的物理实现363.1.3 数值仿真及分析383.1.4 结论403.2 基于SRR-DGS的低通滤波结构413.2.1 SRR-DGS特性分析413.2.2 改进型SRR DGS及其
7、级联结构低通滤波器423.3 小结46参考文献47致 谢48第一章 绪论1.1 研究背景及意义近几年来,微波领域的光子晶体结构越来越引起人们的关注,相关的理论研究以及应用探索成为世界各国科研工作者的研究热点,光子晶体(Photonic Crystal)又称为光子带隙(Photonic Bandgap-PBG)结构1,也称电磁带隙(Electromagnetic Bandgap-EBG) 2,它是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成的周期结构。早期,EBG结构需要在多种介质材料中相掺杂,其制作与分析都比较复杂。1998年,Yongxi Qian针对微带线提出了一种新的EBG结构3,在接地
8、金属板上蚀刻出周期结构,就可实现EBG性能,正是这样一种结构的提出,使得EBG结构可以由金属材料和介质材料混合而成,同时更加复杂的金属和介质混合结构二维EBG结构高阻抗表面4也得到迅速发展,如图1.1所示,EBG结构相关理论以及应用的研究已经成为了一个重要的研究方向。介质与介质混合 介质与金属混合(1维) 介质与金属混合(2维)图1.1 EBG结构示意图最近,人工成功合成了在某一特定频段同时具有负介电常数和负磁导率的材料,其具有很多极具利用价值的奇异特性,从而在固态物理、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。这种人工合成材料由于其介电常数和磁导率均为负值,故称双负材料(DNM
9、:double-negative material)5。双负材料的概念最早是由前苏联物理学家Veselago6于1968年提出,他以麦克斯韦方程组为基础,对电磁波在介电常数和磁导率同时为负值的介质中的传播特点作为纯理论的研究,并预测其突出的电磁特性。但是因为自然界中没有发现这种介质材料,所以他的研究结构在上个世纪一直没有得到实验验证,更没有得到深入的研究。英国帝王理工学院J.B.Pendry的研究使双负媒质的人工实现了可能。在1996年,J.B.Pendry撰文指出,以一定密度周期排列的金属细线(Rod)阵列可构造出等效介电常数为负值的介质材料7,在1999年,J.B.Pendry又提出了以周
10、期排列的金属开路环谐振器(Split-Ring Resonator-SRR)构造等效磁导率为负的介质材料的方法。美国加州大学圣迭戈分校以D.R.Smith教授为首的科研小组于2000年利用Pendry教授的理论模型将细金属丝板和金属谐振环板有规律地排列在一起,制作了世界上第一块等效介电常数和磁导率同时为负值的人造介质材料。利用实验证明了当电磁波斜入射到双负介质和常规介质的分界面,折射波的方向与入射波的方向处在分界面法线同侧,并将这一结论发表在2001年Science杂志上,双负介质材料的发现被Science杂志评为2003年科学十大进展之一。图1.2 最早用于实验的双负介质材料示意图在经典电动
11、力学中材料的电磁性质是用介电常数和磁导率两个宏观参数来描述的。自然物质的这两个参数一般都是与频率有关,并且在绝大多数的情况下它们都为正,且电磁学的基础是由麦克斯韦方程组描述宏观电磁现象,它揭示了电场与磁场之间,以及电磁场与电荷、电流之间的相互关系,是电磁场的基本方程,是分析电磁问题的基本出发点。通常在麦克斯韦方程组中主要讨论的是介电常数和磁导率为正值的自然界物质。在已知的物质世界中,对电介质而言,介电常数和磁导率都为正值,根据Maxwell方程组,电场,磁场和波矢三者构成右手关系,这样的规则一直以来被认为是物质世界的常规。双负介质材料的提出将人类对物质材料的认识进一步拓宽。可以发现原来主要受到
12、科学界关注的双正材料(即自然界存在的物质材料),仅仅是物质世界的一小部分,更多的材料可能是人工合成材料。前面已经提到,电磁学中物质材料的电磁性质是用介电常数和磁导率两个宏观参数来描述的,从而也可以现有的物质结构(包括自然界存在的和通过人工合成)根据其电磁特性进行分类,可以通过介电常数和磁导率取值,将电磁材料分成四大类。以介电常数的取值为横坐标,磁导率为纵坐标的坐标系中,将介质材料按介电常数和磁导率的正负关系分布在四个象限中,如图1.3所示。(1)具有介电常数和磁导率同时都是正值的物质结构,主要以传统的自然界存在的绝大多数物质为代表,在第一象限;(2)具有负介电常数和正磁导率的物质结构,主要以等
13、离子体和周期性排列的金属细线结构为代表,在第二象限;(3)具有正介电常数和负磁导率的物质结构,主要以铁氧体结构和周期性排列的开路环谐振器结构为代表,在第四象限;(4)具有介电常数和磁导率同时都是负值的物质结构,主要以细金属丝板和金属谐振环板有规律地排列的组合为代表,在第三象限。0 00构造磁负材料0 0 0 (2.11a)LH媒质:0 (2.11b)概括之,方程(2.8)和方程(2.9)可以简写为一个关系 (2.12a) (2.12b)其中,s是手性符号定义为 (2.13)从方程(2.9)或方程(2.12)和图2.1(b)可以看出,在LH媒质中的相位,涉及到相速𝜈p与群速
14、20584;g相反的方向传向源。在采用时变函数以及假设功率以空间变量正值方向r传播,后向传播隐含了场有时间和空间的函数 (2.14)在这个表达式里,已经隐含横向电磁(TEM)在均匀的和各向同性的媒质中传播占主要地位,所以传播常数在媒质中只有一项等同于波数 (2.15)其中: (2.16)n是折射率。在LH媒质中,因为,从方程(2.15)和方程(2.16)得到一个负的折射率(NRI),n 0(所以|n|=-n)。这说明在具有介负电常数和负磁导率的媒质中,折射率为负。折射率因此可以被写作: (2.17)其中,s的定义如(2.13)。为了更好地理解上诉的隐含意义,考虑Poynting理论,从图2.2
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