基于周期结构的新型左手材料设计

发布时间：2020-11-15 10:05

　　 左手材料是一种新型电磁结构,通过远小于波长的周期性结构实现了等效介质特性。当单元结构实现谐振时,等效介质结构的介电常数ε与磁导率μ会在特定频段实现由正到负的突变。由于左手材料的等效介质参数均为负值,其电磁特性与常规介质存在很大差异,这在微波器件设计与电磁隐身等方面有极高的应用价值。本文对左手材料的实现原理及其等效媒质参数的提取进行深入的研究与分析,并在此基础上,设计了一种新型谐振环结构双频左手材料。结构实现双频特性的同时带宽较前人设计提升明显,并可通过调整单元尺寸对左手频带进行控制。随后对该结构进行分析与优化提出了改进结构。本文主要工作如下:通过对经典的金属线与开口谐振环结构阵列结构的分析,对左手材料的电磁特性、负磁导率与负介电常数的实现原理进行分析。随后介绍了左手材料的验证主要方法。选取传输反射法对等效介质结构进行介质参数的提取,利用左手材料两端传输参数计算出等效介质射参数:介电常数ε与磁导率μ,并在求解过程中通过K-K关系对复函数的多分支解的问题进行优化。设计了一种新型双频带左手材料。该结构通过开口数目与谐振环尺寸的调节实现对谐振环间耦合的控制,并组合工字型金属线结构实现其双频带左手特性,左手频带分别为7.8~8.2GHz与8.4~13.4GHz。采用印制板技术进行样品加工,矩形波导测系统对样品进行测试,通过电磁仿真与实物测试验证了结构的双频特性。随后,本文对谐振环尺寸与左手频带之间关系进行详细分析。随着谐振环尺寸的减小左手材料结构会在特定频段产生明显频移。当尺寸减小至特定值时,左手频带逐渐靠近并最终实现融合。基于这一发现对设计进行改进提出了一种新的宽频左手材料结构,左手频带为7.2~13.8GHz。相比前文设计,提高了带宽同时减小了单元损耗。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34;O441
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 左手材料研究背景
    1.2 左手材料研究现状
        1.2.1 左手材料理论研究
        1.2.2 左手材料结构设计
    1.3 左手材料的研究趋势
        1.3.1 太赫兹频段左手材料
        1.3.2 频带可调左手材料
        1.3.3 各向同性左手材料
    1.4 论文主要内容与结构安排
第二章 左手材料相关的理论分析
    2.1 左手材料的理论基础
    2.2 左手材料的奇异特性
        2.2.1 负折射特性与完美透镜
        2.2.2 逆多普勒效应
        2.2.3 逆Cherenkov效应
    2.3 左手特性的实现
        2.3.1 负等效介电常数实现原理
        2.3.2 负磁导率的实现
        2.3.3 左手传输线理论
    2.4 左手材料的应用
    2.5 本章小结
第三章 左手材料的设计与验证
    3.1 左手材料的设计原理简介
    3.2 左手材料的实验与验证
        3.2.1 传输功率实验测试系统
        3.2.2 棱镜折射实验
        3.2.3 T形波导法
        3.2.4 矩形波导法
    3.3 等效介质参数的计算
        3.3.1 传统介质参数提取
        3.3.2 基于Kramers-kronig关系多值计算
    3.4 左手材料的仿真
        3.4.1 仿真软件介绍
        3.4.2 左手材料仿真流程
    3.5 经典左手结构的仿真
    3.6 本章小结
第四章 新型双频带左手材料设计
    4.1 磁谐振单元设计
    4.2 左手材料单元尺寸结构
    4.3 左手材料的仿真
        4.3.1 单元结构仿真结果
        4.3.2 等效介质参数提取
    4.4 谐振环尺寸对左手频带影响
        4.4.1 外侧谐振环长与左手频带间关系
        4.4.2 内侧谐振环长与左手频带间关系
    4.5 双频左手材料的实物测试
        4.5.1 双频左手材料的验证系统
        4.5.2 双频左手材料实物制作与测试
        4.5.3 双频左手材料测试结果与分析
    4.6 本章小结
第五章 基于正方形谐振环结构的改进结构
    5.1 宽频带谐振单元设计
    5.2 改进结构的仿真验证结果
        5.2.1 单元结构仿真分析
        5.2.2 多单元联合仿真
    5.3 改进型结构的参数反演与分析
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
致谢
参考文献
附录

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本文编号：2884640