基于电磁表面波的非互易传输线研究

发布时间：2020-06-21 02:45

【摘要】：随着集成系统的不断发展,对非互易器件提出了更高的要求,如小型化、集成化、低插损等。近年来,人们发现在外加偏置磁场下,旋磁介质表面对电磁波具有单向传输特性,该发现为研究单向电磁波的传播问题提供了一个新的视角。本文首先给出了外加磁场下旋磁介质张量磁导率的推导,并分析了其时间反演对称性破缺的原因,该时间反演对称性破缺将使得旋磁光子晶体边缘处存在具有单向传输特性的手性边缘态(Chiral Edge States),以下简称CESs;进而,基于旋磁光子晶体设计了单向光子晶体波导结构。仿真结果表明,该结构在11.7GHz-12.3GHz范围内有明显的单向传输特性。为避免光子晶体结构周期性带来的体积较大、损耗较大问题,本文对旋磁介质的磁表面等离激元态(Magnetic Surface Plasmon States)开展了深入的研究,以下简称MSPs。通过在Maxwell方程中引入外加磁场下旋磁介质的张量磁导率,推导了旋磁介质的体模和表面模色散曲线,证明了在旋磁介质和空气接触的边界处可支持特定频段的电磁波单向传输。在上述研究的基础上,以旋磁介质作为平板波导的边界,实现了 7.5GHz～9GHz范围内电磁波的单向传输;同时,针对平板波导难集成等问题,本文提出了一种新型的单向基片集成波导结构(Substrate integrated waveguide),仿真及实验结果表明,该结构在6.9GHz-7.5GHz范围内具有显著的单向传输特性。为了进一步降低插损,本文基于MSPs和耦合模理论,提出了一种全新的紧凑低损单向传输结构的设计方法;基于该方法,设计了一种由微带传输线和单向旋磁介质环构成的单向传输结构,仿真以及实验结果表明,该结构可以在10.1GHz～11.2GHz范围内具有非常好的正向传输特性以及反向隔离特性;在此基础上,本文对该单向微带传输结构的宽带特性进行研究,采用串联级联形式获得了宽带单向传输结构,仿真结果表明,该结构在9.8GHz～12.2GHz范围内具有较好的单向导通特性。最后,基于MSPs原理,本文首次提出了低频超薄吸波结构。通过打破旋磁介质的时间反演对称性,使得入射的平面电磁波在吸波结构表面完全转换为表面波,该表面波沿旋磁介质表面单向传输,表现出较好的吸波特性。最后,作为实例,设计了一种厚度为2.5mm的吸波材料,仿真结果表明,该结构在0.59GHz～0.64GHz范围内具有极好的吸波特性。在此基础,通过组合形式设计了一种宽带低频超薄吸波结构,仿真结果表明,该结构在0.51GHz～0.64GHz频段内,具有较好的吸波性能。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN811;TN011.4
【图文】：

光子晶体,无反射

Ａｏ等人进一步研究了蜂窝晶格的磁性光子晶体的单向传播特性逡逑１５］，并在理论上证明了电磁波在该光子晶体表面的传播具有自导特性，无需其逡逑结构在界面的辅助，如图１．３所示。２０１０年，Ｈｅ等人基于单向波导构造了一逡逑可调功分器［１６］，实现了单刀双掷开关的功能，如图１．４所示。２０１１年，Ｐｏｏ邋Ｙ逡逑人利用旋磁介质构造了蜂窝晶格的旋磁光子晶体，实现了电磁波在该晶体表面逡逑单向传播［１７］，如图１．５所示。２０１１年，中科院的付金鑫等人用普通的光子晶逡逑和旋磁光子晶体构建了光子波导结构，通过在旋磁光子晶体边缘构建微谐振腔，逡逑现了单向带阻滤波功能［１８］，如图１．６所示。综上，近年来有关光子晶体单向逡逑播特性的研宄主要集中在理论及其验证工作上，鲜少有人从实际应用的角度来逡逑计光子晶体非互易结构，本文认为其原因在于：逡逑、若微波非互易器件采用光子晶体结构，由于结构的周期性排布要求，器件尺逡逑将会非常大。逡逑、由于旋磁介质光波频段的非互易性较弱，目前还无有效的方法，实现利用其逡逑造可用的光通信器件，。逡逑、就目前调研得到的研究成果来看，单向光子晶体结构的隔离度可以超过５０ｄＢ，逡逑

微谐振腔,带阻滤波,图片,单向传播

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