异向介质特性与微波器件的设计说明

1、 .PAGE54 / NUMPAGES65 .中国矿业大学本科生毕业设计姓 名： 力 学 号：23090907 学 院：信电学院专 业：电子科学与技术 设计题目：异向介质特性与微波器件的设计 专 题：指导教师：职 称： 教 授 2013 年 6 月 中国矿业大学毕业设计任务书专业年级 学号学生 任务下达日期： 2012 年 12 月 24 日毕业设计日期：2012 年 12 月 30 日至 2013 年 6 月 5 日毕业设计题目：异向介质特性与微波器件的设计毕业设计专题题目：毕业设计主要容和要求：(1)查阅相关资料，了解国外异向介质的研究现状与最新进展，分析异向介质的基本原理、结构特性与理论

2、基础。研究了电磁波在不同异向介质中传播所出现的不同特性；（2）学习并掌握了运用HFSS软件设计和仿真天线和滤波器； (3)研究了异向介质在微波天线和微波滤波器中的应用，利用异向介质改进了多款微波天线和微波滤波器，并运用高频仿真软件HFSS对器件进行仿真与优化，提高了微波器件性能； （4）翻译与本题目有关的外文文献； （5）总结了异向介质在微波器件中的应用和设计经验，撰写论文。指导教师签字： 重 声 明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的容。对本论文所涉与的研究

3、工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学 毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论与基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究容的理论依据和技术方法；取得的主要成果与创新点；工作态度与工作量；总体评价与建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论与基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果与创新点；写作的规程度；总体评价与建议成绩；存在问题；是否同意答辩

4、等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学 毕业设计答辩与综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语与建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要 异向介质（metamaterials）是指具有负的介电常数和负的磁导率的人工合成电磁材料。已被美国Science杂志评为2003年度十大科技突破之一的异向介质，凭借它奇特的性质、较大的潜在利用价值和广泛的应用前景，成为了当今物理学和电磁学研究领域的前沿和热点。本文以异向介质特性与其应用为研究对象，主要的工作包

5、括以下几个方面：(1)概述国外异向介质的研究现状与进展，分析了异向介质的基本原理、结构特性与理论基础。研究了电磁波在不同异向介质中传播所出现的不同特性；(2)研究了周期细金属棒阵列、分裂谐振环、互补分裂谐振环和复合左/右手传输线的结构特性与应用，简单介绍了这些结构负的介电常数和负的磁导率出现的原因；(3)研究了异向介质在微波滤波器和天线中的应用，利用异向介质设计了多款微波滤波器和天线，并运用高频仿真软件HFSS对器件进行了仿真与优化。提高了微波器件性能。关键词：异向介质； 左手材料； 互补分裂谐振环； 异性介质滤波器； 异向介质天线ABSTRACTMetamaterials are new s

6、tructured materials with negative permittivity or negative permeability or simultaneous negative and . The newly discovery of left-handed material has been regarded as one of the ten most significant discoveries by science in 2003. The successful realization of metamaterials has garnered considerabl

7、e attentions and discussions all over the world, and has been the front and focus area in physics and electromagnetic research. In this paper, some electromagnetic characteristics of metamaterials and application in microwave circuit are studied thoroughly. The main contents are listed as follows:(1

8、) The present research status on metamaterials around the world and analysis of the theoretical and experimental basis of metamaterials are introduced. Comparing with the traditional material,detail description about the wave reflection and transmission in some equivalent isotropy metamaterial model

9、s are made.(2) The structure characteristics and applications of The Rod Array、Split Ring Resonator(SRR)、Complementary Split Ring Resonator(CSRR) and Composited Right/Left -Handed (CRLH) are studied. At the same time, the reason of why those Structures have negative permittivity or negative permeabi

10、lity.(3) The application of metamaterials in microwave filters and antennas are studied. Metamaterials have been used to design to microwave filters and antennas, and using the high frequency simulation software calculates the optimize results. The performance of microwave devices have been increase

11、d significantly.Key words: Metamaterials;Left-Handed Materials;Complementary Split Ring Resonator(CSRR);Metamaterial Filter;Metamaterial Antenna.目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3263443801 绪论 PAGEREF _Toc326344380 h 1HYPERLINK l _Toc3263443811.1引言 PAGEREF _Toc326344381 h 1HYPERLINK l _Toc32634438

12、21.2课题在国外的研究概况 PAGEREF _Toc326344382 h 1HYPERLINK l _Toc3263443831.2.1异性介质的研究概况 PAGEREF _Toc326344383 h 1HYPERLINK l _Toc3263443841.2.2微波器件研究概况 PAGEREF _Toc326344384 h 2HYPERLINK l _Toc3263443851.3高频仿真软件ANSOFT HFSS的介绍 PAGEREF _Toc326344385 h 2HYPERLINK l _Toc3263443861.3.1 Ansoft HFSS简介 PAGEREF _Toc

13、326344386 h 2HYPERLINK l _Toc3263443871.3.2建立HFSS工程的一般过程 PAGEREF _Toc326344387 h 3HYPERLINK l _Toc3263443881.4本文研究容 PAGEREF _Toc326344388 h 3HYPERLINK l _Toc3263443891.4.1对异向介质特性进行了研究 PAGEREF _Toc326344389 h 3HYPERLINK l _Toc3263443901.4.2对异性介质天线和滤波器进行了研究 PAGEREF _Toc326344390 h 3HYPERLINK l _Toc326

14、3443911.5论文的结构安排 PAGEREF _Toc326344391 h 3HYPERLINK l _Toc3263443922 异向介质基本特性 PAGEREF _Toc326344392 h 5HYPERLINK l _Toc3263443932.1异向介质的产生与发展 PAGEREF _Toc326344393 h 5HYPERLINK l _Toc3263443942.2异向介质特性的理论研究 PAGEREF _Toc326344394 h 6HYPERLINK l _Toc3263443952.2.1左手螺旋特性 PAGEREF _Toc326344395 h 6HYPERL

15、INK l _Toc3263443962.2.2负折射现象 PAGEREF _Toc326344396 h 7HYPERLINK l _Toc3263443972.2.3逆向多普勒效应 PAGEREF _Toc326344397 h 7HYPERLINK l _Toc3263443982.3.1周期细金属棒阵列的应用 PAGEREF _Toc326344398 h 8HYPERLINK l _Toc3263443992.3.2分裂谐振环和互补分裂谐振环的应用 PAGEREF _Toc326344399 h 9HYPERLINK l _Toc3263444002.3.3复合左/右手传输线的应用

16、PAGEREF _Toc326344400 h 10HYPERLINK l _Toc3263444013 异向介质天线 PAGEREF _Toc326344401 h 12HYPERLINK l _Toc3263444023.1天线基础与定义 PAGEREF _Toc326344402 h 12HYPERLINK l _Toc3263444033.1.1天线综述 PAGEREF _Toc326344403 h 12HYPERLINK l _Toc3263444043.1.2天线的基本性能参数 PAGEREF _Toc326344404 h 12HYPERLINK l _Toc326344405

17、3.2微波天线的设计原理 PAGEREF _Toc326344405 h 14HYPERLINK l _Toc3263444063.2.1天线的辐射机理 PAGEREF _Toc326344406 h 14HYPERLINK l _Toc3263444073.2.2天线的场区和方向图 PAGEREF _Toc326344407 h 16HYPERLINK l _Toc3263444083.3异向介质天线的设计与仿真分析 PAGEREF _Toc326344408 h 18HYPERLINK l _Toc3263444094 异向介质滤波器 PAGEREF _Toc326344409 h 25H

18、YPERLINK l _Toc3263444104.1微波滤波器的基本理论 PAGEREF _Toc326344410 h 25HYPERLINK l _Toc3263444114.1.1微波滤波器综述 PAGEREF _Toc326344411 h 25HYPERLINK l _Toc3263444124.1.2微波滤波器的基本性能参数 PAGEREF _Toc326344412 h 26HYPERLINK l _Toc3263444134.2微波滤波器的设计原理 PAGEREF _Toc326344413 h 27HYPERLINK l _Toc3263444144.2.1滤波器电路的微波

19、实现 PAGEREF _Toc326344414 h 27HYPERLINK l _Toc3263444154.2.2微波低通滤波器 PAGEREF _Toc326344415 h 29HYPERLINK l _Toc3263444164.2.3微带带通滤波器 PAGEREF _Toc326344416 h 31HYPERLINK l _Toc3263444174.3异向介质滤波器的设计与仿真分析 PAGEREF _Toc326344417 h 34HYPERLINK l _Toc3263444185 总结与展望 PAGEREF _Toc326344418 h 39HYPERLINK l _T

20、oc3263444195.1总结 PAGEREF _Toc326344419 h 39HYPERLINK l _Toc3263444205.2展望 PAGEREF _Toc326344420 h 39HYPERLINK l _Toc326344421参考文献 PAGEREF _Toc326344421 h 40HYPERLINK l _Toc326344422英文原文 PAGEREF _Toc326344422 h 42HYPERLINK l _Toc326344423中文译文 PAGEREF _Toc326344423 h 48HYPERLINK l _Toc326344424致 PAGER

21、EF _Toc326344424 h 521 绪论1.1引言异向介质（Mematerials）是21世纪物理学和电磁学领域一个新的词汇，是指介电常数和磁导率中的全为负值的人工合成电磁材料，包括光子晶体、左手材料、复合左/右手传输线、隐身斗篷和超磁性材料等等。长期以来，人们认为异向介质是一种具有天然材料所不具备的超长物理性质的人工合成材料或复合材料1。电磁异向介质是电磁学理论发展史上的重要事件，为经典电磁理论开辟了崭新的研究空间，其重大的科学意义与巨大的应用前景对未来通信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极重要的影响。1.2课题在国外的研究概况本课题研究的主要致力于以下三个方面

22、：异性介质特性的简单研究、异性介质在微波滤波器中的应用和异向介质在微波天线中的应用。随着异向介质研究的不断发展，其特殊性能的不断开发，越来越多的专家学者对基于这种新生材料的微波系统中滤波器与天线的设计产生了浓厚的兴趣，不断推动了微波通信领域的发展与创新。1.2.1异性介质的研究概况早在1968年，前联科学家Veselago便提出预言2，在同时具有负介电常数和负磁导率的材料中传播电磁波，相位的传播方向和能量的传播方向相反。在普通介质中麦克斯韦方程确定了一个关于电场强度E、磁场强度H和波矢量K之间的右手规则。但是当折射率为负值时，波矢量方向与能量方向相反，E、H、K形成左手规则，即异向介质的一种，

23、左手材料。最近20年来，异向介质的研究迅速成为了国际上的一个研究热点，虽然异向介质这一新的观念尚未被科学界特别是材料学界完全接受，但作为一种材料设计理念，已开始被越来越多的学者所关注。更为重要的是，它的出现给人们在世界观层面上带来巨大的冲击，昭示可以在不违背基本物理学规律的前提下，人工获得与自然媒介迥然不同的超常物理性质的新媒介。1.2.2微波器件研究概况微波器件即工作在300300000MHz微波波段的器件，按其功能可分为微波振荡器、功率放大器、微波天线、微波滤波器、微波传输线等等，文中我们主要讨论微波电路中天线和滤波器的基本原理与设计方法。微波滤波器和天线早已在微波通信、雷达导航、电子对抗

24、等微波系统中得到了广泛的应用。电磁波的运动规律遵从19世纪给出的麦克斯韦的理论，麦克斯韦是对法拉第等前人的实验成果的总结和发展。六十年代以后，利用动态控制原理制成的普通微波管的发展日趋成熟，科技、军事、工业和民用的要求越来越高，消费市场不断扩大，微波电子管工业仍在不断发展。此外，基础科学研究的发展和工艺技术的不断突破，新概念、新原理、新结构、新工艺、新管种不断出现，微波电子学和微波器件正向新的高度和新的领域迅速发展，这种发展集中表现在以下几个方面：1.高性能、高可靠和长寿命；2.固态微波电子学和微波固态器件；3.毫米波和亚毫米波器件；4.微波与光波结合技术与其应用；5.微波真空微电子器件和电路

25、。微波器件的发展历史是丰富多彩的，微波电子学与微波器件的含义与科学领域已远远超越三十年代或五十年代的真空微波的畴而更加宽广、水平更高了。微波器件的应用远远超过发展初期的狭隘领域，并以进入寻常百姓家。1.3高频仿真软件Ansoft HFSS的介绍1.3.1 Ansoft HFSS简介Ansoft公司是全球领先的电子设计自动化软件商，成立于1984年，全波有限元算法和自适应网格剖分技术构成了Ansoft公司在电磁场仿真领域的两大核心竞争力。作为Ansoft公司的招牌产品，HFSS(High Frequency Structure Simulator)是针对任意三维结构进行电磁场仿真的全波有限元软件

26、，能快速、精确、可靠的计算高频高速器件的电气性能，本课题主要应用HFSS计算高频电磁器件的电磁场分布、元器件的S参数、天线辐射特性、电磁波吸收比率、时域反射和时域传输。HFSS软件对于研究对象的离散化采用四面体和三角形网络剖分，对结构有广泛的适应性，使用HFSS仿真软件成为工程化的仿真工具，确保了求解的可靠性，能够在求解精度和求解速度上获得最佳均衡。1.3.2建立HFSS工程的一般过程（1）运行Ansoft HFSS；（2）点击新建按钮，在当前工程中插入一个设计；（3）选择求解类型，Driven Modal、Driven Terminal或者Eigenmode；（4）为建立模型设置合适大单位，

27、通常选择单位为mm；（5）在3D窗口中建立模型；（6）设置需要的辐射边界；（7）若果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励；（8）设置求解频率与扫频等操作；（9）点击“”按钮，检查当前工程的有效性；（10）点击“”按钮，运行当前工程；（11）对已求解的工程创建结果报告。1.4本文研究容1.4.1对异向介质特性进行了研究首先，研究了异向介质的左手螺旋特性、负折射率现象和逆向多普勒效应。并给出了这些异常性质的产生原理与结论的简单推导过程。其次，对异向介质中的典型结构，细金属棒阵列、分裂谐振环、互补分裂谐振环以与复合左/右手传输线的工作原理进行了阐述，并给出了这些结构的典型应用。1.4.2

28、对异性介质天线和滤波器进行了研究介绍了天线和滤波器的基本理论，主要性能参数以与微波天线和滤波器的设计原理，分别应用互补分裂谐振环、交指型结构、缺陷地结构、复合左/右手传输线结构设计了新型的微波天线和滤波器，并给出了仿真结果。1.5论文的结构安排本文围绕异向介质特性与其在微波器件中的应用展开研究，共分为5个章节，各章的主要容如下:第一章：概述异向介质特性的研究背景，异向介质和微波器件在国外的研究现状与发展趋势，介绍高频仿真软件HFSS的基本性能与操作原理。简单介绍本文的研究工作和结构安排。第二章：简要说明异向介质的产生与发展进行，重点进行异向介质特性的分析与研究，并指出异向介质在物理学、电磁学等

29、学科领域中的应用。第三章：阐述天线的定义与基本原理，进行微波天线设计原理的论述与总结，最后进行新型异向介质天线的设计、仿真与结果优化。第四章：阐述微波滤波器的基本理论与设计原理，并应用高频仿真软件HFSS进行新型异向介质滤波器的设计、仿真与结果优化。第五章：总结整个研究容，并对后续工作进行展望。2 异向介质基本特性2.1异向介质的产生与发展直到1996年和1999年，英国物理学家J.B.Pendry等相继利用周期性的金属线阵列实现了负的介电常数3，利用周期性的分裂谐振环（SRR）实现了负的磁导率4，科学家用这两种巧妙的人工合成结构创造了自然界尚未被发现的物质，这两种巧妙结构的提出打破了异向介质

30、研究领域三十年的沉寂，使异向介质开始受到各领域学者的关注。图2.1 Smith等人研制的具有双负特性的左手材料异向介质模型2000年，根据科学家Pendry等人研究成果，美国加州大学圣地亚哥（University of Califonua at SanDiego,UCSD）分校的Smith等物理学家研制了一种以铜为主要成分的复合材料。这种材料实现了负介电常数的金属带和负磁导率的金属环形谐振器的有效结合，达到了在某一频率围同时实现负的介电常数和负的磁导率的目的。这一研究成果宣告了世界上第一块左手材料的问世5，如图1.1所示。随后，实验小组又通过实验成果验证了光线的负折射现象。左手材料研究成果于2

31、001年被发表在美国Science杂志上，并于2003年被此杂志列为十大科学进展之一。从此异性介质受到人们广泛关注，使得异向介质的研究站在了世界科研前列，引领了电磁学、物理学、材料学等多个学科领域新的发展。2000年Pendry提出了“完美透镜”理论6，他将异向介质制成平板，通过实验验证了此平板可以对波源发出的电磁波进行聚焦成像，在平板部和外侧产生焦点。在成像平面，其焦点处的电磁波幅度大小恰好同波源处的幅度大小完全一致，电磁场的所有成分都将无损失地参与成像，克服了传统透镜的波不能会聚到小于波长围的限制。2002年6月，美国UCLA大学Itoh研究组和加拿大多伦多大学Eleftheriades研

32、究组几乎同时提出了一种基于LC网络实现异向介质的新方法7-8，它是继分裂谐振环之后实现介质双负特性的第二种方法。与原结构相比，此结构有效拓宽了频带，降低了损耗，无疑扩展了异向介质的应用围。以上容均为科学家以异向介质物理结构为研究重点得出的科研成果，于此同时，也有一部分学者致力于异向介质反常特性的研究。从Veselago预言的左手材料逆多普勒效应、负折射率现象以与逆Cerenkov效应等等开始，异性介质特性的神秘面纱便不断别揭开。2002年，J.A.Kong等人验证了左手材料中Goos_Hanchen偏移逆向11。2005年，M.Tomasz等人发现了异向介质媒介中逆向的临界角和布鲁斯特角12。

33、2006年，英美两国科学家使用左手材料设计方法并利用其能是电磁波隐身的说法，成功设计了梯度异向介质，实现了“隐身斗篷”的功能9-10。所谓“隐身斗篷”即在物体表面包裹一种具有一定数值的负的介电常数和负的磁导率的异向介质，这时当电磁波照射在上面的时候，电磁波将被弯曲并绕过物体继续传播，从而使物体出现隐身的效果。此“隐身”效果的应用为电磁信号避开干扰，增强其准确性和完整性提供了新的方法。近年来，国外专家对异向介质结构与特性的研究都非常重视，完善原有理论的同时又在不断扩展着新的思路和方向。2.2异向介质特性的理论研究任何一门技术，只有有了先进理论的支撑才会有更好、更长远的发展，异向介质也不例外。从1

34、968年异向介质理论雏形的昙花一现到21世纪成为科学界的领跑者，异向介质的奇异特性已不断被挖掘，其支撑理论也在不断走向成熟。2.2.1左手螺旋特性通过对电磁波的麦克斯韦方程组进行析我们得到：(2.1) (2.2) 其中为介质的磁导率，为介质的介电常数，为电磁波在介质中的传播速度。由于变化的电场和变化的磁场是相互伴随、共同前进的，他们的传播方向永远正交，所以。将式(1)和式(2)两边对应相乘可得，由于分别代入原式可得： (2.3)可见,当,时，电场强度E,磁场强度H,波矢量之间满足右手螺旋关系，即伸开右手，四指从电场E的方向沿90角弯向磁场H的方向，大拇指的方向就是波矢量的方向。但是，我们所研究

35、的异向介质是以负的介电常数和负的磁导率为前提条件的，即,，那么此时电场强度E,磁场强度H,波矢量之间满足左手螺旋关系。但是坡印廷矢量S与电场磁场三者任然满足右手螺旋关系，因此，在,的自然介质中，波矢量与坡印廷矢量S是相互平行的，而在,的异向介质中波矢量与坡印廷矢量S是反向平行的。2.2.2负折射现象当介质磁导率和介电常数都小于零时，波矢量与坡印廷矢量S方向相反，则，即 QUOTE ，折射率。由于开根号可能得到正负两种解，因而对于折射率n的取值也有正负两种情况。由于波矢量和折射率n取小于零的解并不违背经典的电磁学理论，因而折射率也是合理的，而且科学家们已通过实验看到了电磁波的负折射现象。异向介质

36、中折射率、磁导率和介电常数之间的关系表达式为(2.4)利用异向介质负折射率的特性，可制作出与原透镜完全相反的透镜，即异性介质凸透镜相当于常规介质凹透镜，对光线有发散作用；异向介质凹透镜相当于常规介质凸透镜对光线有会聚作用。2.2.3逆向多普勒效应逆多普勒效应是左手材料的一个重要特性，在左手材料中所观测到的频率的变化与常规介质中的效应正好相反。多普勒效应是指若果波源和观测者之间存在着相对运动，那么观测到的频率和波长将会发生变化。在常规介质中，当观测者朝着波源运动时，观测者所观测到的频率要高于波源的震动的频率，属于多普勒效应；在左手材料中，同样当观察者朝着波源运动时，观察者所测得的频率要低于波源震

37、动的频率，这就是逆多普勒效应。2003年，英国BAE公司C.Luo等人在Science杂志上发表文章，报道了一种可以产生逆多普勒效应的电子装置，引起了科学界的轰动13。逆多普勒效应有着广泛的应用前景，逆多普勒效应可制备小型化、价格低廉、能够产生千兆赫兹高频电磁脉冲的装置。世界各地的研究人员正在研究用于材料非破坏性实验的千兆赫兹系统。传统千兆赫兹发生器不仅笨重，而且价格昂贵，产生的频带较窄，左手材料的逆多普勒效应有望对该领域产生革命性的影响。2.3异向介质的应用从上文不难看出，异向介质研究的真正起步仅有短短几年，但是随着科学家们不懈的努力和深入的研究，异向介质的应用领域在不断扩展，相信在不久的将

38、来，必将有很多耳目一新的研究成果呈现给大家。本小节主要介绍了和总结了微波系统中异向介质的应用。2.3.1周期细金属棒阵列的应用细金属棒阵列式最早发现具有负介电常数的人工合成结构，早在1953年，细金属棒阵列就被嵌入到媒介中用于合成微波人造介质21。1996年，Pendry等人首次通过细金属棒的周期排列实现了介质负介电常数的特性。周期细金属棒阵列结构如图2.1所示。图2.2周期细金属棒阵列结构假定金属棒沿Z轴方向延长，其半径为r，在x和y方向上的间距为a，其中ar。由于金属棒很细，电感比较大，因此细金属棒中的电流值几乎不会受到影响，另外，细金属棒每个周期单元的电通量基本是均匀分布的，加之细金属棒

39、区域存在电流而其他部分不存在电流，导致电磁场的分布很不均匀，越靠近金属棒区域磁场越大。根据麦克斯韦方程和边界条件可推导出其等效介电常数计算式为： (2.5)其中为谐振频率。 为等离子体频率。因此可以通过调整金属棒周期性尺寸与其粗细，在所需的频段实现负的介电常数。细金属棒的周期尺寸远远小于工作波的波长，所以由该结构构成的介质在其工作频段可以看做是均匀的人工制造介质，由于磁场对金属细线的作用是基本可以忽略的，因此其磁导率可近似视为常数。综上所述，细金属棒利用了电磁场在金属棒上产生的感应电动势使细金属棒上正负电荷分别向两边聚集，从而产生与外来电场反向的电动势，以产生等离子效应，从而实现在某一频段负的

40、介电常数。2.3.2分裂谐振环（Split Ring Resonator,SRR）和互补分裂谐振环（Complementary Split Ring Resonator,CSRR）的应用早在1950年，一些研究人员发现不同形状的环或类似环形的结构在某个频段呈现负磁导率的现象，并将其用于构造微波频段的手性材料14。1999年，由J.B.Pendry等人正式提出了在某些频段能产生磁等离子体效应，并能实现负磁导率特性的开路电流环谐振器，即我们所说的分裂谐振环SRR。SRR结构的平面示意图如图2.3所示，SRR中磁场感应电流如图2.4所示。(a) (b)图2.3SRR平面结构(a.环形SRR结构b.方

41、形SRR结构)图2.4 SRR结构中磁场感应电流示意图对于圆形分裂谐振环，需要指出的是，初期的SRR结构为纵向尺度无穷大的柱体，在横向两个方向上周期排列。但是，由于纵向尺寸的无限长不易实现，而且实现磁场进入柱体部的情况难度也很大，所以，经过学者研究，找到了一种更简单的方法来构造SRR结构，便为图2.3(a)所示结构。这种结构的单元是由厚度很小，有一定宽度的金属薄环组成的，易于实现，同时还可达到在空间上二维、三维的排列来实现各项同性的磁等离子体的目的。SRR结构不仅在制作反向波导定向耦合器以与电磁波隐形中有着极其重要的应用，而其，在微波天线和滤波器的制造中也发挥着不可替代的作用，有效的解决了微波

42、器件的小型化高性能之间的矛盾，天线的高指向性设计的技术难题等微波领域的疑难杂症。实现高指向性辐射的传统方法是利用法布里珀罗 (Fabry-Perot,FP)腔，FP腔的厚度必须精确为工作波长的一半15。随着科技的发展，左手材料的问世，为其提供了新方法，法国S.Enoch等人指出：当介质的折射率接近零时，根据相位匹配条件，放置在介质中的全向天线向自由空间中辐射的电磁波主要集中在介质空气界面的法线方向上，并通过实验证实了结论的准确性16。现今，已有许多学者发现折射率近乎零的平板天线具有高指向性辐射的特性17-20。本文将在后续章节详细介绍基于分裂谐振环和互补分裂谐振环的微波滤波器与天线的设计原理和

43、仿真结果。2.3.3复合左/右手（Compasite Right/Left-Handed,CRLH）传输线的应用微带线结构的左/右手传输线上在微波滤波器和天线中的应用已经被越来越多的学者所认同，此种结果的使用在带宽和损耗方面都远远优于由负的介电常数和负的磁导率结果简单复合的其他材料。从某种意义上讲，复合左/右手传输线结构是异向介质的传输线实现形式，所以复合左/右手传输线具有异向介质的奇异特性。目前，复合左右手传输线由于它奇异的特性和潜在应用价值已吸引了广大国外研究学者的目光。图2.5复合左/右手传输单元模型示意图复合左/右手传输线是一种既能呈现左手特性又能呈现右手特性的传输线。当电磁波在该传输

44、线中传播时，在某个频率围，介电常数和磁导率同时为负值，电场、磁场、波矢量三者之间服从左手定则，即该传输线的传播特性为左手特性；而在其他频率围，介电常数和磁导率同时为正值，电场、磁场、波矢量三者之间服从右手定则，即传输线的传播特性为右手特性。复合左/右手传输单元模型示意图如图2.5所示。3 异向介质天线3.1天线基础与定义3.1.1天线综述天线是一台装置，它为辐射和接受无线电波提供了手段，其功能是把传输结构上的波导转换成自由空间波（在接收时正好相反）。这样，信息可以在异地间传输而不需要任何中介结构。天线的种类繁多，一般常用的天线结构为线天线、环天线、(反射)面天线、喇叭天线、介质天线微带天线和裂

45、缝天线等，但它们所遵循的电磁场基本原理确是一样的。研究天线问题的实质在于天线所产生的空间电磁场分布以与由这种分布所决定的天线的各种性质。求解天线问题的实质在于求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程组的解。由于严格求解天线问题的复杂性和高难度，因此对于具体天线问题的求解往往将其条件理想化，采取近似处理的方法来获取所需的理想结果。异性介质在微波天线中的应用更是有效的扩展了天线技术的发展空间和应用前景。它有利于天线的集成和一体化设计，可以明显的改善天线的辐射特性。其具体应用方法与实例设计将在下文中具体介绍。3.1.2天线的基本性能参数对于天线来说，研究人员最关心的是它的辐射场。通常情况下，天线是有方向性

46、的，也就是说天线对空间中不同方向上的辐射和接收效果是不同的。以发射天线为例，天线辐射的能量在某些方向上会很强，某些方向上则很弱，而在其它方向上则为零。在天线的设计和应用中，其方向性是主要考虑的因素之一。另外，任何天线都会有一定的增益，一定的带宽，一定的输入阻抗，一定的效率等各种参量。下面，本文将对天线的几种基本性能参数进行介绍。（1）辐射方向函数：F（，），给出了天线发射时离天线固定的距离上辐射随角度的变化，辐射以与天线相距固定距离r处的功率密度S来定量表示，形象的描述了天线的辐射场在空间的分布情况。（2）方向性系数D：在距天线同一距离上，方向图最大点的功率密度与平均密度之比。它表示定向天线在

47、最大辐射方向上，辐射能量的集中程度，是大于等于1的无量纲比值。方向性系数的表达式为:(3.1) （3）增益系数G：天线在其最大辐射方向上远场某点的功率密度与输入功率一样的无方向性天线在同一点产生的功率密度之比。增益系数的表达式为：(3.2)增益系数也可定义为，在天线最大辐射方向上某点产生相等电场强度的条件下，理性的无方向性天线所需的输入功率Pino与某天线所需要的输入功率Pin之比，即(3.3)（4）效率因子K：增益和方向性系数之比，我们定义为效率因子。此关系可表示为： (3.4)其中，效率因子K取值围为K,0K1,是无量纲的。（5）辐射效率r：辐射功率与输入到天线上的功率（输入功率）之比，表

48、征天线能否有效的转换能量。辐射效率的表达式为：(3.5)其中，PL表示天线的总损耗功率。通常，发射天线的损耗功率包括天线导体中热损耗、介质材料的损耗、天线附近物体的感应损耗等22。如果把天线向，外辐射的功率看做是被某个电阻Rr所吸收，该电阻称为辐射电阻。与此相似，也把总损耗功率看作是被某个损耗电阻RL吸收，则有：(3.6)(3.7)故天线的辐射效率还可以表示为： (3.8)（6）输入阻抗Zin：天线输入端的高频电压与输出端的高频电压之比。天线与馈线相连时，为使天线能从馈线获得最大的功率，就必须使天线和馈线良好匹配，即要使天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗相等。输入阻抗的表达式为：(3.9)(7)极

49、化:当天线发射时，所发射的瞬态电场矢量随时间变化的轨迹图，它是描述天线辐射电磁波空间指向的参数。天线极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。在空间某个位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场在空间的指向随时间变化所描述出的轨迹如果是一条直线，则为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。圆极化是特殊的椭圆极化。（8）带宽：指天线重要参数合格的频率变化围。电线的带宽与天线的其他重要参数密切相关，不同的天线参数，如效率、输入阻抗、增益、极化等往往对应不同的带宽。通常，取其中较窄的一个作为整个天线的带宽。3.2微波天线的设计原理3.2.1天线的辐射机理天线的基本理论基于麦克斯韦方程

50、组，天线的基本功能是辐射电磁波，那么天线是如何辐射电磁波的呢？关于这个问题，我们还要从天线的基本理论说起。图3.1电磁波的辐射麦克斯韦方程组表明：在空间某一定区域（空间和时间）变化的电场，会在临近的区域产生变化的磁场；变化的磁场又会在较远的区域引起新的变化的电场，接着又在更远的区域引起变化的磁场，如此循环。这种由近与远，交替引起电场和磁场的过程就是电磁波的辐射过程。如图3.1所示。电磁波的辐射也是一种扰动，就像一颗石子投入平静的水中所激起的瞬态波动，在石子消失后很长时间，从石子投入点出发的水表面的波动不停的沿径向传播。如果引起波动的源有规律的存在，就会建立起有规律的波动，而辐射也会持续下去，天

51、线就是提供电磁波波动的源。下面，我们将以图3.2所示振荡偶极子为例，简述电磁辐射产生的过程。图3.2电流源上的交流电在一小段电流源上加交变电压（设为正弦交流电），设电荷正弦变化(3.10)其中Q是电荷最大值。由电荷求得电流 (3.11)式中I为电流振幅。在第一个T/4，电流元两端电荷逐渐增加，电流逐渐减小，电场逐渐增强，并随时间推移向外移动。运动的电场会产生磁场，磁场的方向由右手螺旋定则确定，因此，该磁场方向与正在减小的电流所产生的磁场方向一样。在t= T/4时刻,电流等于零，磁场却依然存在，它是脱离了电场的磁场。在第二个T/4，电荷逐渐减小，与之相关联的电场也逐渐减小和消失，但是电流却在反方

52、向增强，由此产生的磁场增强。这个增强的磁场在向外的运动中产生电场，这个电场与原来的电场方向相反但不在同一个位置，因为原来的电场随时间推移已经向外推进了一段距离。在t= T/2时刻，反向电流最大，磁场也最强，它在向外运动中产生的电场不会随电荷的消失而消失，反而与原来已经向外移动的电场力线连接起来形成闭合的电力线环，于是形成了脱离电荷的电场。随着时间的推移，在第三个和第四个T/4时间段里面，电场、磁场的辐射将重复上述过程，只是电力线所显示的电、磁场方向和上半周期的相反。在一个周期，脱离电流源而辐射的电磁场是两层闭合的电力线盒和磁力线环。时刻t= T时刻，沿以电流元为中心，从层电力线盒的壁至外层电力

53、线盒的外壁，恰好经历一个波长。电磁场以此为周期循环形成辐射场。那么在实际工作中，天线是怎样获得如图3.2所示的正弦电流分布从而产生电磁辐射的呢？对此问题的分析我们从开路线入手。根据传输线知识，终端开路的双导线上电压、电流呈驻波分布，导线终端电流为零，离开终端每半个波长为电流节点，两导线上电流方向相反，所有的场在导线之间加强在其它地方减弱，电磁场能量沿双导线传播，注意前提条件是导线之间的距离远小于波长，没有电磁辐射产生。如果导线向外弯曲，弯曲段长度为1/4波长，导线上电流分布近为正弦分布，因此长生上文分析的电磁辐射。综上所述，影响电磁辐射产生和提高电磁辐射强度的因素有三个：(1)波源的频率。波源

54、的频率也就是被辐射电磁波的频率。电磁波的辐射依靠变化的电场和变化的磁场相互转化，因而变化的快慢决定场强的强弱，同时决定辐射能量的多少。静电场和恒定电流的磁场不随时间变化，即频率为零，根本没有辐射。低频的电磁场变化缓慢，辐射也很小。所以不能将音频或视频的信号直接馈送给天线，而必须通过调制，采用高频“携带”的办法，这样才能解决有效辐射的问题。(2)天线的几何结构。不同几何结构的天线其辐射能力是不同的。例如平行双导线或平行板，即使波源频率再高，也不能辐射电磁波，以外它的电磁场被束缚在导线或平板间。若将双导线或平行板开，形成开放性结构，将电磁场暴露在空间，才能产生电磁辐射，而且随着结构的开程度，辐射能

55、力也将增强。(3)天线上的电流分布。天线的定向辐射能力随天线上的电流分布不同而不同。3.2.2天线的场区和方向图 （1）天线的场区围绕着天线的场可划分为两个主要的区域25，接近天线的区域称为进场或者菲涅耳(Fresnel)区,离天线较远的称为远场或者夫琅和费(Fresnelaunhofer)区。如图3.3所示，两区分界可取为半径 (3.12)式中L为天线的最大尺寸，单位m，为波长单位m。图3.3天线区、近场区、远场区示意图在远场区，测得场分量处在辐射方向的横截面，所有功率流都是沿径向朝外的。全部是辐射功率，远场还有一个特征，那就是围绕天线的角向分布即辐射方向图与离天线的距离无关。在近场区，电场

56、有显著的径向分量，其功率流比不完全是径向的，场波瓣图通常依赖于距离。近场区中的虚功率密度由天线输入阻抗的电抗分量表示出来，如果天线结构上的欧姆损耗可以忽略，那么输入阻抗的实部就代表辐射。与辐射相关的功率密度到处存在，而且穿越过近场。对于半波长偶极子天线，某一瞬间的能量存储于接近天线末端即最大电荷为主的电场中，经半周期的转换之后，又存储于接近天线中心即最大电流区为主的磁场中。 （2）天线的方向图天线的辐射方向图简称方向图，是方向函数F (，) 的图示。方向图形象、直观，弥补了方向函数抽象、晦涩的不足。复杂的天线系统往往找不到较准确的方向函数表示，此时必须借助测量得到的数据绘出方向图，已了解天线的

57、辐射特性。 如图3.4天线方向图的一般形状实际天线的方向图通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣24，如图3.4所示。用来描述辐射图参数主要有：零功率点波瓣宽度(Beam Width between First Nulls, BWFN) 20E或20E(下标E、H表示E面或H面，下同)，指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角；半功率电波瓣宽度(Half Power Beam Width, HPBW) 20.5E或20.5H，指主瓣最大角两边场强等于最大值的0.707倍或等于最大功率密度的一半的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其他副瓣均较弱，则它

58、的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面的半功率点波瓣宽度来判断；副瓣电平(Side Lobe Lever,SLL)，指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示。副瓣一般指向不需要辐射的区域，因此要求副瓣电平尽可能的低；前后比，指主瓣最大值与副瓣最大值之比，通常也用分贝值表示。3.3异向介质天线的设计与仿真分析异向介质的后向波特性使得它在微波天线中得到广泛的应用。将异向介质的后向波效应与常规介质的前向波效应相结合可以设计出小于半波长的谐振腔 ,而且谐振腔的物理尺寸不再受谐振频率的限制。另外，此时的左手介质相当于一个相位补偿器 ,电磁波在常规介质中传播时产生的相位差可以通过异向介质的后向波效应加

59、以补偿。本小节共设计了三款基于异向介质的小型化天线。第一款为共振一维异向介质为基础的天线应用的输电线路的建模与设计，以FR4作为基底，大小为16mm*12mm*2mm。如图3.5所示，其几何结构图如图3.6所示，回波损耗仿真结构如图3.7所示，图3.8显示为频率f=9.6GHz时的方向图。XYZ图3.5三维结构1mm开路或短路6.8mm2.3pF8.32mm9.2mm短路针0.8mm图3.6几何结构图3.7回波损耗仿真图图3.8 f=9.6 GHz方向图第二款是以螺旋方形谐振环阵列作为辐射单元的微带天线，以Rogers RT/ duroid 5880作为基底，大小为50mm*50mm*3.17

60、5mm。此天线应用了双重谐振异向介质传输线结构，两只手臂微带传输线和腐蚀有五个螺旋方形谐振环组成，如图3.10所示，实现了小型化紧凑型结果。图3.9为此微带天线三维结构图，图3.11为其几何结构图，图3.12为其回波损耗图，图3.13、图3.14为f=8.5GHZ时的方向图。图3.9以螺旋方形谐振环阵列作为辐射单元的微带天线三维结构图图3.10以螺旋方形谐振环阵列作为辐射单元的微带天线辐射贴片结构图图3.11微带天线单元尺寸结构图（单位：mm）图3.12回波损耗仿真结果图3.13f=8.5 GHz, Phi=0时的方向图图3.14 f=8.5 GHz, Phi=90时的方向图第三款是复合右左手