双频段左手材料及可开关双频谐振模式的研究

发布时间：2020-08-21 18:35

【摘要】：左手材料是一种人工亚波长结构,在同一频段内同时具有负介电常数和负磁导率,因此左手材料又被称为双负材料。当电磁波在左手材料中传输时,电场分量、磁场分量和波矢方向服从左手定则。自从人工左手材料合成以来,研究者们采用不同的方法设计出许多新颖的左手材料,目前左手材料从微波单频段向高频以及多频段方向发展,由固定频段的刚性材料向能够应用于复杂表面的柔性可调谐方向发展。左手材料的奇异特性使其可以应用在完美成像、微波天线和吸收器等领域。本文根据左手材料的实现方法,提出了一种新型双频段左手材料和一种具有双频可开关谐振模式的左手材料,运用高频电磁仿真软件HFSS对两种左手材料进行了仿真分析,分别研究了所提出结构的电磁参数和电流、电磁场分布以及结构参数对谐振特性的影响。研究结果对设计或制造双频和多频段的左手材料具有一定的参考意义,对拓展左手材料在不同频段的应用具有潜在的应用价值。具体内容安排如下:第一章,首先介绍了左手材料的概念、实现方法、新颖特性以及国内外的研究进展,阐述了双频、多频段以及可调谐左手材料的实现方法。第二章,设计了一种由双开口环与十字线构成单元结构的双频带的左手材料。研究了电磁波垂直入射时,双开口环和十字线各自的电磁响应,以及双开口环-十字线组合结构的双频响应;并通过各谐振频率处的电流和电磁场分布分析了该单元结构实现双频响应的原因。最后讨论了双开口宽度g、十字竖线长度l_1、十字横线长度l_2、线宽w以及入射角度对电磁特性的影响。第三章,基于可开关左手材料的设计思想,通过在两组对称的双开口环间隙处加载RF MEMS开关,理论上实现了一种可开关的双频谐振左手材料。研究发现,通过控制不同位置处的开关,该结构的左手材料可实现低频/高频以及双频可开关特性。另外,通过各谐振频率处的电流和电磁场分布分析了该结构可实现可开关谐振特性的机制,最后探究了结构参数对电磁特性的影响。第四章,总结论文的研究结果,展望左手材料未来的发展方向。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN751.2;TB34
【图文】：

金属线与开口谐振环合成的经典左手材料(a)一维左手材料[2]

成单元谐振结构，设计了一种柔性的左手材料[45]。图1.2是几种典型结构的柔性超材料。图1.2(a)T型金属和聚二甲基硅氧烷构成的柔性材料[43]；(b)照片纸作为介质基板的左手材[45]；(c)发卡式开口谐振环和聚四氟乙烯构成的柔性材料[41]；(d)田字形金属和聚酰亚胺构成的柔性材料[44]。1.2、双频以及多频段左手材料的实现方法由于单频段左手材料的频谱特性难以满足实际的需求，人们设计和制作了多频段、高频段、以及宽频段左手材料，拓宽了左手材料的应用范围。通常多频段左手材料的构造方法是在介质基板上相继排列或嵌套不同尺寸的谐振环来实现多谐振[46,47]，除此之外，还有研究者利用不规则形状的新颖结构同样实现了多谐振特性[22,48,49,50]。

会不可避免地在谐振环之间产生耦合作用。分型结构具有自相似特性，如图1.3(a)所示，一些研究者采用分型结构的谐振器来实现多频段左手材料[20,51,52]，或采用不规则新颖结构，将金属线设计成不同对称或非对称结构来产生多频带磁响应。短金属线对结构以及渔网结构为多频段左手材料的构造提供了一种新思路[53,54]，当电磁波垂直入射时，电场极化沿金属线方向，可实现负介电常数；磁场极化垂直于金属线所在平面，在磁场的作用下，介质基板两侧的金属短线构成等效 谐振电路，在磁谐振频率附近，实现负磁导率。因此，在介质基板两侧放置多个不同的谐振单元包括金属线、开口环或其近似结构，当电磁波垂直入射时能够产生多频段电磁响应。图1.3 给出了多频段左手材料的几种典型单元结构。图 1.3 多频段左手材料的典型结构 (a)树形分型结构[52];(b)开口环嵌套结构[46]; (c) Greek-Key 型结构[22]；(d)相连的开口谐振环结构[20]。

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本文编号：2799720