左手材料理論

1、(1) 了解人工電磁材料的基本工作原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀了解人工電磁材料的基本工作原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀(2) 利用人工電磁材料設(shè)計(jì)微波器件利用人工電磁材料設(shè)計(jì)微波器件(時(shí)域、頻域時(shí)域、頻域)(3) 掌握微波器件主要參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法掌握微波器件主要參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康? 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理2.1 人工電磁材料的基本概念人工電磁材料的基本概念通常指自然界中不存在，通過(guò)人工制造且具天然材料所不具通常指自然界中不存在，通過(guò)人工制造且具天然材料所不具備的特殊電磁性質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料備的特殊電磁性質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料(1) 人工電磁材料的基本概念人工電磁材料的基本概念(2) 典型特征典型特征

2、 材料主要參數(shù)中具有自然材料所不能達(dá)到的取值材料主要參數(shù)中具有自然材料所不能達(dá)到的取值 材料參數(shù)及其變化可滿(mǎn)足人們的某種特殊電磁功能需求材料參數(shù)及其變化可滿(mǎn)足人們的某種特殊電磁功能需求(3) 典型人工電磁材料典型人工電磁材料(a) 光子晶體光子晶體 (Photonic Band Gap，PBG) 光子晶體模型的典型結(jié)構(gòu)光子晶體模型的典型結(jié)構(gòu)UC-EBG結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (b) EBG帶隙材料帶隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)基底周期空洞基底周期空洞高阻抗表面結(jié)構(gòu)高阻抗表面結(jié)構(gòu)(c) 吸波材料或特殊吸波材料或特殊 r 、 材料材料RH2100鐵氧體鐵氧體 負(fù)負(fù) r 、

3、正、正 材料材料(Epsilon Negative Material，ENG) 正正 r 、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)磁導(dǎo)率(Magnetic Negative Media，MNG)左手材料左手材料 (Double Negative Material，DNG)(d) ENG、MNG、DNG 材料材料Rod周期結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)的ENG材料材料SRR周期結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)的MNG材料材料Rod、SRR結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)DNG材料材料(4) 人工電磁材料的主要應(yīng)用人工電磁材料的主要應(yīng)用 微波器件小型化、定向天線(xiàn)微波器件小型化、定向天線(xiàn) 微波吸收微波吸收 電磁電磁(光光)隔離或?qū)ǜ綦x或?qū)?表面波抑制表面波抑制 隱身、負(fù)折射隱身

4、、負(fù)折射(a) 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域傳輸線(xiàn)、微波器件、電磁儲(chǔ)能、天線(xiàn)、光學(xué)、微波電路與系統(tǒng)傳輸線(xiàn)、微波器件、電磁儲(chǔ)能、天線(xiàn)、光學(xué)、微波電路與系統(tǒng)(b) 實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)功能2.2 ENG、MNG、DNG人工電磁材料的基本工作原理人工電磁材料的基本工作原理(1) 周期排列金屬桿形成周期排列金屬桿形成ENG材料的基本原理材料的基本原理 存在沿導(dǎo)線(xiàn)方向電場(chǎng)時(shí)，金屬桿中自由電子氣產(chǎn)生等離子存在沿導(dǎo)線(xiàn)方向電場(chǎng)時(shí)，金屬桿中自由電子氣產(chǎn)生等離子體諧振，理想情況下周期性金屬棒的介電常數(shù)可被表為體諧振，理想情況下周期性金屬棒的介電常數(shù)可被表為 221 pmetal 其中，等離子體頻率其中，等離子體頻率 p為為epmne

5、022 (1-1)(1-2)考慮金屬中的電子散射衰減，介電常數(shù)可被表示為考慮金屬中的電子散射衰減，介電常數(shù)可被表示為 視周期性排列金屬桿為電子氣等離子體，其有效電子密度為視周期性排列金屬桿為電子氣等離子體，其有效電子密度為)i(12 pnormal22arnneff 其中，其中， 表示電子與中性粒子的散射頻率表示電子與中性粒子的散射頻率金屬桿電流在空金屬桿電流在空間間R處產(chǎn)處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為RenrRIRH22)(2v (1-3)(1-4)(1-5)其中，其中，v為為電子的平均速度電子的平均速度用矢量位用矢量位 A 表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，則表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，則ARH 10)( )(ln2)(

6、20RaenrRAv 其中其中電子在電場(chǎng)中所受沖量為電子在電場(chǎng)中所受沖量為eA，單位長(zhǎng)度細(xì)金屬棒動(dòng)量改變量，單位長(zhǎng)度細(xì)金屬棒動(dòng)量改變量 vvnrmnrranrernArePeffe222202ln2)( 其中，電子有效質(zhì)量其中，電子有效質(zhì)量meff為為(1-6)(1-7)(1-8) ranremeffln2220 (1-9)將式將式1-4、式、式1-9代入式代入式1-2)(ln222022raacmeneffeffp (1-10)將式將式1-10代入式代入式1-3，并同時(shí)代入，并同時(shí)代入 因子的表達(dá)式因子的表達(dá)式 22202i1rappeff(1-11)當(dāng)當(dāng) p時(shí)，時(shí)， eff 實(shí)部為負(fù)，即為

7、實(shí)部為負(fù)，即為ENG材料材料(2) 周期排列周期排列SRR形成形成MNG材料的基本原理材料的基本原理對(duì)周期無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)電圓柱，等效磁導(dǎo)率可以定義為對(duì)周期無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)電圓柱，等效磁導(dǎo)率可以定義為00HBeffave (1-12)H0為外加平行于導(dǎo)體的磁場(chǎng)為外加平行于導(dǎo)體的磁場(chǎng)設(shè)柱體內(nèi)感應(yīng)電流為設(shè)柱體內(nèi)感應(yīng)電流為 j，則，則柱體內(nèi)柱體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度為jarjHHin220 (1-13)環(huán)繞金屬柱體的總電動(dòng)勢(shì)為環(huán)繞金屬柱體的總電動(dòng)勢(shì)為jrjarjHrRIBt 2i22002 當(dāng)電動(dòng)勢(shì)平衡時(shí)，感應(yīng)電流當(dāng)電動(dòng)勢(shì)平衡時(shí)，感應(yīng)電流j可以表示為可以表示為022202i1 rrarHj (1-14)(1-15)導(dǎo)

8、體外平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為導(dǎo)體外平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為1022002202i12i1 rarrHjarHHave(1-16)比較式比較式1-12、式、式1-16102202i11 rarHBaveaveeff 無(wú)限長(zhǎng)周期排列金屬棒可以降低磁導(dǎo)率無(wú)限長(zhǎng)周期排列金屬棒可以降低磁導(dǎo)率對(duì)無(wú)限長(zhǎng)開(kāi)口環(huán)諧振器，感應(yīng)電流與外加磁場(chǎng)的關(guān)系可表為對(duì)無(wú)限長(zhǎng)開(kāi)口環(huán)諧振器，感應(yīng)電流與外加磁場(chǎng)的關(guān)系可表為(1-17)jCrrjjarHr)i12()(i222002 2001cddC (1-18)(1-19)周期排列的開(kāi)口環(huán)的等效磁導(dǎo)率周期排列的開(kāi)口環(huán)的等效磁導(dǎo)率03222222i311 rrdcareff (1-20)對(duì)平面排列的對(duì)平

9、面排列的SRR結(jié)構(gòu)，考慮到雙環(huán)之間的電容結(jié)構(gòu)，考慮到雙環(huán)之間的電容 dccdcC2ln12ln2000 (1-21)1320202232i11 Crlrlareff 103220222i/2ln311 rldcrlcareff(1-22)(3) 復(fù)合傳輸線(xiàn)形成復(fù)合傳輸線(xiàn)形成LHM材料的基本原理材料的基本原理左手、復(fù)合左右手傳輸線(xiàn)等效電路左手、復(fù)合左右手傳輸線(xiàn)等效電路右手傳輸線(xiàn)等效電路右手傳輸線(xiàn)等效電路右手傳輸線(xiàn)右手傳輸線(xiàn)的電壓電流方程可以表示為的電壓電流方程可以表示為A 右手傳輸線(xiàn)的電磁參數(shù)右手傳輸線(xiàn)的電磁參數(shù)由麥克斯韋方程組可得均勻物質(zhì)中時(shí)諧電磁波的解為由麥克斯韋方程組可得均勻物質(zhì)中時(shí)諧電磁

10、波的解為 YUzIZIzU xyyxEzHHzE ii(1-23)(1-24)對(duì)比式對(duì)比式1-23與式與式1-24 0iii0iiiRReffRReffCCYLLZ (1-25)對(duì)對(duì)左手傳輸線(xiàn)左手傳輸線(xiàn)，其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率表達(dá)式為，其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率表達(dá)式為 01i1i1i01i1i1i22LLeffLLeffLLYCCZ (1-26)左手傳輸線(xiàn)構(gòu)成了左手傳輸線(xiàn)構(gòu)成了LHM材料材料 B 左手傳輸線(xiàn)的電磁參數(shù)左手傳輸線(xiàn)的電磁參數(shù)C 左右手傳輸線(xiàn)的電磁參數(shù)左右手傳輸線(xiàn)的電磁參數(shù)由傳輸線(xiàn)定理，傳播常數(shù)由傳輸線(xiàn)定理，傳播常數(shù)YZ iCRLH傳輸線(xiàn)的傳輸線(xiàn)的Z 、Y 分別為分別為 LRL

11、RLRLRYYLCYZZCLZ)1-i()()1-i()( (1-27)(1-28)傳輸線(xiàn)的特性阻抗為傳輸線(xiàn)的特性阻抗為 1)/(1)/(220 shseLZYZZ (1-29)LLLCLZ 其中其中RRRCLZ LRseCL 1 RLshCL 1 (1-30)傳輸線(xiàn)的傳播常數(shù)傳輸線(xiàn)的傳播常數(shù) 為為 )()(i)(ii2222222shseRLLRsks (1-31)其中其中 RRRCL 1 LLLCL 1 LRRLCLCLk ),(min1),(min1)(shseshses 討論討論 當(dāng)當(dāng) s( )=-1時(shí)相位因子時(shí)相位因子 為負(fù)值，相速與群速平行反向，表現(xiàn)為為負(fù)值，相速與群速平行反向，表

12、現(xiàn)為 左手材料的傳播特征左手材料的傳播特征 當(dāng)當(dāng) s( )=1時(shí)相位因子時(shí)相位因子 為正值，相速與群速平行同向，表現(xiàn)為為正值，相速與群速平行同向，表現(xiàn)為 右手材料的傳播特征右手材料的傳播特征(1-32) 當(dāng)當(dāng) min( se, sh), max( se, sh) 時(shí)，時(shí)， 為一實(shí)數(shù)為一實(shí)數(shù) (假定傳輸假定傳輸 線(xiàn)無(wú)耗線(xiàn)無(wú)耗)，在傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)中出現(xiàn)凹陷區(qū)，構(gòu)成，在傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)中出現(xiàn)凹陷區(qū)，構(gòu)成 了電磁波傳播的了電磁波傳播的阻帶區(qū)域阻帶區(qū)域 對(duì)于對(duì)于CRLH LReffLReffLCYCLZ221i1i (1-32) 當(dāng)角頻率當(dāng)角頻率 0時(shí)，時(shí)， eff=-1/( 2C L

13、)， eff=-1/( 2L L)，趨同于，趨同于 理想左手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)理想左手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù) 而當(dāng)而當(dāng) 時(shí)，時(shí)， eff=L R， eff= C R，趨同于普通右手材料的，趨同于普通右手材料的 結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 2.3 鐵氧體材料的吸波原理鐵氧體材料的吸波原理電偶極子和磁偶極子吸波可用復(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率描述電偶極子和磁偶極子吸波可用復(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率描述 i i(6-1) 和和 分別表征極化和磁化吸收的變量；分別表征極化和磁化吸收的變量； 、 分別表征分別表征外加電磁場(chǎng)下材料電偶矩、磁偶矩引起的電磁損耗外加電磁場(chǎng)下材料電偶矩、磁偶矩引起的電磁損耗 損耗因子損耗因子tan 可表示為可表示為

14、MEtantantan(6-3)電磁波垂直入射時(shí)，反射可由電磁波垂直入射時(shí)，反射可由反射系數(shù)反射系數(shù) 表示表示 2121ZZZZ (6-2)波阻抗波阻抗定義為定義為 HEZ (6-4)電磁波從自由空間垂直入射鐵氧體時(shí)，電磁波從自由空間垂直入射鐵氧體時(shí)，入射阻抗入射阻抗為為 dZin2itanh為自由空間中電磁波波長(zhǎng)；為自由空間中電磁波波長(zhǎng)；d 為吸波體的厚度為吸波體的厚度 傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)Tr 為為 dTriexp 鐵氧體的鐵氧體的反射損耗反射損耗 為為 (6-5)(6-6)11 ininZZ (dB) (6-7)鐵氧體吸波材料的鐵氧體吸波材料的匹配條件匹配條件為為 12itanh d(6-8

15、)3.1 利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)通帶濾波器利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)通帶濾波器設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求在超寬帶頻段內(nèi)設(shè)計(jì)在超寬帶頻段內(nèi)設(shè)計(jì)5.2、5.8 或或 8 GHz的單一陷波特性濾波器的單一陷波特性濾波器 折疊開(kāi)口環(huán)折疊開(kāi)口環(huán)濾波器模型濾波器模型缺陷地結(jié)構(gòu)缺陷地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法 引入折疊開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)引入折疊開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu) 引入開(kāi)口環(huán)缺陷地結(jié)構(gòu)引入開(kāi)口環(huán)缺陷地結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算優(yōu)化計(jì)算024681012-20-15-10-50 S21 (dB)Frequency (GHz) w=1.8 w=2.3 w=3.4051015-60-50-40-30-20-100 S Parameter (dB)Frequency (GHz) S

16、11 S21 圖圖1.7 折疊環(huán)用于超寬帶濾波器中產(chǎn)生陷波相應(yīng)折疊環(huán)用于超寬帶濾波器中產(chǎn)生陷波相應(yīng)3.2 利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)阻帶天線(xiàn)利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)阻帶天線(xiàn)未加諧振環(huán)未加諧振環(huán)添加諧振環(huán)添加諧振環(huán)36912051015 VSWRFrequency(GHz)369120481216 VSWRFrequency(GHz)3.3 利用復(fù)合左右手傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)阻帶濾波器利用復(fù)合左右手傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)阻帶濾波器復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)濾波器模型濾波器模型仿真與測(cè)試結(jié)果仿真與測(cè)試結(jié)果3.4 利用鐵氧體吸波材料設(shè)計(jì)定向天線(xiàn)利用鐵氧體吸波材料設(shè)計(jì)定向天線(xiàn)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求天線(xiàn)尺寸：直徑天線(xiàn)尺寸：直徑69 mm，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度5

17、00 mm；幅值前后比：幅值前后比： 3；幅值時(shí)域方向圖幅值時(shí)域方向圖(E面，面，H面面)：30 ；拖尾信號(hào)：幅值比拖尾信號(hào)：幅值比 10:1，拖尾持續(xù)時(shí)間，拖尾持續(xù)時(shí)間 1T(脈寬脈寬)；饋電信號(hào)波形參數(shù)：脈寬饋電信號(hào)波形參數(shù)：脈寬 3 ns，二階高斯脈沖；，二階高斯脈沖；適用介質(zhì)環(huán)境：石灰?guī)r、花崗巖適用介質(zhì)環(huán)境：石灰?guī)r、花崗巖 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案a 發(fā)射天線(xiàn)仿真模型發(fā)射天線(xiàn)仿真模型b 發(fā)射天線(xiàn)實(shí)物照片發(fā)射天線(xiàn)實(shí)物照片c 定向鐵氧體天線(xiàn)仿真模型定向鐵氧體天線(xiàn)仿真模型d 定向鐵氧體天線(xiàn)實(shí)物照片定向鐵氧體天線(xiàn)實(shí)物照片圖圖6.2 全向發(fā)射、定向接收天線(xiàn)仿真計(jì)算模型及加工實(shí)物照片全向發(fā)射、定向接收天線(xiàn)

18、仿真計(jì)算模型及加工實(shí)物照片4 實(shí)驗(yàn)作業(yè)實(shí)驗(yàn)作業(yè)(1) 利用復(fù)合傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)利用復(fù)合傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)2通帶天線(xiàn)通帶天線(xiàn)通帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足通帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足FCC規(guī)范規(guī)范4.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1作業(yè)作業(yè)(頻域頻域)(3) 利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)3阻帶天線(xiàn)阻帶天線(xiàn)阻帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足阻帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足FCC規(guī)范規(guī)范(4) 利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)3通帶濾波器通帶濾波器通帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足通帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足FCC規(guī)范規(guī)范(5) 利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)利用開(kāi)口環(huán)設(shè)計(jì)3阻帶濾波器阻帶濾波器通帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足通帶中心頻點(diǎn)位置、帶寬應(yīng)滿(mǎn)足FCC規(guī)范規(guī)范(6) 利用等離