復(fù)合左右傳輸線電磁特性的研究

復(fù)合左右傳輸線電磁特性的研究

介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述介質(zhì)磁體性質(zhì)的基本變量。20世紀(jì)60年代以前學(xué)界都認(rèn)為對(duì)于電介質(zhì)來(lái)說(shuō),介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為正值,電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢三者構(gòu)成右手關(guān)系,稱之為右手材料(Right-HandedMaterials,RHM)。前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago于1968年預(yù)言,在同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率材料中傳播的電磁波相位的傳播方向與能量的傳播方向相反,即電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢三者構(gòu)成左手關(guān)系的左手材料(Left-HandedMaterials,LHM)。電磁波在左手材料中表現(xiàn)出了與在右手材料中相反的性質(zhì),比如光的負(fù)折射、逆多普勒效應(yīng)、逆斯涅耳定律、逆切連科夫效應(yīng)等。由于其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù),有人稱其為“雙負(fù)材料”,也有人稱其為“異向介質(zhì)”或“負(fù)折射率材料”等。由于左手材料具有特殊的電磁特性,左手材料在實(shí)際應(yīng)用中有很大發(fā)展空間。比如,在天線方面的應(yīng)用,隱身材料的應(yīng)用,光學(xué)儀器方面的應(yīng)用,傳輸線的應(yīng)用等。1左/右傳輸線的概念和電磁能的特性1.1左、左學(xué)習(xí)材料復(fù)合左/右手傳輸線(CompositeLeft/Right-HandedTransmissionLine,CRLH-TL)是由美國(guó)科學(xué)家Itoh及加拿大科學(xué)家Eleftheriads等人于2002年提出的一種新型左手材料。它是一種將右手材料和左手材料按一定的結(jié)構(gòu)和比例分布于傳輸線中的新型傳輸線,通過(guò)調(diào)整控制傳輸線中右手材料和左手材料的結(jié)構(gòu)和分布,使電磁波盡可能按照人們的需要進(jìn)行傳播,實(shí)現(xiàn)可靠、高效、安全的信息傳輸。特定頻率下的左手傳輸線中仍包含傳統(tǒng)介質(zhì)特性,只是在該頻段內(nèi),異向介質(zhì)特性起主要作用。復(fù)合左/右手傳輸線是利用右手材料和左手材料的特性,它在不同的頻段分別體現(xiàn)為異向介質(zhì)或傳統(tǒng)介質(zhì)特性,按照人們對(duì)電磁波傳輸?shù)囊笤O(shè)計(jì)的。1.2傳播特性分析通常,我們分析電磁波沿傳輸線的傳播特性的方法有兩種。一種是“場(chǎng)”的分析方法。即從麥克斯韋方程出發(fā)在特定的邊界條件下解電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程求得各場(chǎng)量的時(shí)空變化規(guī)律分析電磁波沿線的各種傳播特性,這就是“場(chǎng)”理論的分析方法。另一種是“路”的分析方法,將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理,用基爾霍夫定律建立傳輸線方程,求得線上電壓和電流的時(shí)空變化規(guī)律,分析其傳輸特性。本文運(yùn)用“路”的方法進(jìn)行分析。為了方便起見(jiàn),這里只討論無(wú)損耗的均勻傳輸線。一般的右手傳輸線的電路模型如圖1所示,左手傳輸線的電路模型如圖2所示。迄今為止,人類還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自然界中存在自然的左手性傳輸線。通常是通過(guò)在普通傳輸線中加載電感和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)左手性傳輸線,稱這種為復(fù)合左/右手傳輸線。無(wú)耗復(fù)合左/右手傳輸線的等效電路如圖3所示。別稱為傳輸線單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納,L1和C1分別為傳輸線自身單位長(zhǎng)度的分布電感和分布電容。所以,無(wú)耗復(fù)合左/右手傳輸線的色散關(guān)系可表示為:其中相移常數(shù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為下面,討論在不同頻率段復(fù)合左/右手傳輸線的電磁特性。(1)在頻率較高的情況下,加載的電容電感的作用很小,主要由傳輸線本身的分布電感和分布電容決定傳輸線的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。(2)在頻率較低的情況下,傳輸線本身的分布電感和分布電容的作用很小,主要由加載的電容電感決定傳輸線的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。又因?yàn)樗韵嗨俣群腿核俣犬愄?hào),方向相反,體現(xiàn)為左手傳輸線特性。折射率:處于抑制頻帶,電磁波不能傳播,這是復(fù)合左/右手傳輸線獨(dú)有的特性。所以復(fù)合左右手傳輸線的色散關(guān)系可用圖表示.2微波器件的應(yīng)用由于復(fù)合左/右手傳輸線在頻率不同的情況下可以表現(xiàn)出不同特性,因而可以利用復(fù)合左/右手傳輸線設(shè)計(jì)新型的微波器件,專家學(xué)者預(yù)測(cè)它將在功分器、濾波器、天線陣列饋電、頻分器、微帶線等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著異向介質(zhì)材料性能的提高,異向介質(zhì)材料的應(yīng)用逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn),下面介紹幾種復(fù)合左/右手傳輸線的實(shí)際應(yīng)用。2.1wilpinon功分器功分器是一種用于功率合成或功率分配的無(wú)源器件。由于純左手傳輸線的相速和群速反向,因此純粹左手傳輸線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)右手傳輸線傳播時(shí)電磁波所造成相位滯后的補(bǔ)償。經(jīng)對(duì)具有左、右手傳輸線特征的復(fù)合左/右手傳輸線的特殊設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)一段頻率范圍內(nèi)無(wú)相差功分,以此構(gòu)造新型功分器。Wilkinson功分器(PowerDivider,WPD)是一種三端口網(wǎng)絡(luò)的功分器。當(dāng)輸出端口匹配時(shí),Wilkinson功分器具有無(wú)損耗特性,只損耗反射功率。由于兩個(gè)輸出支路或輸入支路間存在電阻,因此Wilkinson功分器最大的優(yōu)點(diǎn)是3個(gè)端口匹配且2個(gè)輸出或輸入端口間具有良好的隔離度。雙頻Wilkinson功分器用復(fù)合左/右手傳輸線支路代替,在第一個(gè)頻率點(diǎn)相位超前,在左手特性頻率范圍內(nèi),在第二個(gè)頻率點(diǎn)相位滯后,在右手特性頻率范圍內(nèi)。2.2帶通濾波器的構(gòu)造傳統(tǒng)的平行耦合微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器可以實(shí)現(xiàn)較好濾波性能,但由于受到1/4波長(zhǎng)的限制,所以此種濾波器的幾何尺寸比較大。利用復(fù)合左/右手傳輸線與普通微帶線之間的特性互補(bǔ),構(gòu)造一種新型的帶通濾波器,這種濾波器是使用集總元件(貼片電容和電感)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它可以取代傳統(tǒng)的濾波器達(dá)到較好的濾波性能,而且它只是在普通的平面微帶中加載貼片電容和電感,因此制作簡(jiǎn)單,將在射頻和微波電路和儀器中有很好的應(yīng)用。2.3同一電路上的兩個(gè)特性頻分器在當(dāng)今通信領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,它的作用就是將共用同一電路的兩個(gè)頻段分離開(kāi)來(lái),或者是將兩個(gè)來(lái)自不同支路的頻段信號(hào)匯聚到同一電路上。根據(jù)復(fù)合左/右手傳輸線的雙頻段屬性,我們可以設(shè)計(jì)將兩個(gè)頻率匯聚或分離的頻分器。2.4傳統(tǒng)串聯(lián)饋電天線陣列的饋電有串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種方式。并聯(lián)饋電方式可以在很寬的頻段內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元的等幅同相饋電,其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸和插損大。傳統(tǒng)串聯(lián)饋電方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸和插損小,缺點(diǎn)是難以保證在一段頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元的等幅同相饋電。依據(jù)復(fù)合左/右手傳輸線的色散特征,通過(guò)選擇復(fù)合左右手傳輸線的結(jié)構(gòu)尺寸,控制天線單元間的相位差,實(shí)現(xiàn)波束一定角度的偏移或零偏移提出一種新型復(fù)合左右手傳輸線串聯(lián)饋電方式該饋電系統(tǒng)同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單插損小的特點(diǎn),可以提高天線陣列的增益,在天線陣列的饋電方面具有潛在的研究?jī)r(jià)值。3復(fù)合左/右傳輸線的新特性復(fù)合左/右手傳輸線是在左手材料獲得飛速發(fā)展與應(yīng)用的產(chǎn)物,是近年