一種調(diào)諧一維左手組合材料的設(shè)計(jì)

一種調(diào)諧一維左手組合材料的設(shè)計(jì)

1.微波-磁場(chǎng)輔助下的左螺旋組合材料從磁體理論的角度來看，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述介質(zhì)中性質(zhì)的基本變量。在普通介電材料中，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為正值。麥克斯韋方程表明，在正是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的物質(zhì)中，它們?cè)趧?dòng)力學(xué)和電磁強(qiáng)度方面呈右手螺旋關(guān)系。這種物質(zhì)被稱為右手材料（rhm）。1968年,Veselago從理論上探討了介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)值的物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì),指出在介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的介質(zhì)中,電磁波的電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H和波矢k之間呈左手螺旋關(guān)系.Veselago稱這種假想的介質(zhì)為左手性材料(left_handedmaterials,LHM).1999年,Pendry等提出可以制作在某一頻率區(qū)間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的左手性材料.2001年Smith等制作出微波波段的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料,從實(shí)驗(yàn)上證明了左手性介質(zhì)的存在.Pendry等的工作引起了物理界對(duì)負(fù)折射問題極大的關(guān)注,并把具有左螺旋性質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人工介質(zhì)稱為Metamaterial,本文稱這種性能奇特的材料為特異材料.上述特異材料的實(shí)現(xiàn)是利用開口環(huán)諧振時(shí)在特定頻段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的性質(zhì),即用諧振的方法實(shí)現(xiàn)左手性傳輸.Eleftheriades等提出可以用在傳輸線中周期性加載電感和電容的非諧振法制備特異材料,并從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了實(shí)現(xiàn)左手性傳輸?shù)目赡苄?Eleftheriades指出,在特定的頻段,加載電感對(duì)應(yīng)負(fù)介電常數(shù),同時(shí)加載電容對(duì)應(yīng)負(fù)磁導(dǎo)率,由于連接電容和電感的傳統(tǒng)微帶線為右手性材料,所以這種結(jié)構(gòu)被稱為左右手組合材料.deLustrac等利用二極管電容的可調(diào)性實(shí)現(xiàn)了電調(diào)諧,之后Sievenpiper等相繼提出了改進(jìn)結(jié)構(gòu).近年來,也有作者對(duì)可調(diào)諧濾波特性進(jìn)行了理論研究.本文設(shè)計(jì)了在外加電壓控制下的可調(diào)諧一維左右手組合人工帶隙材料的制作,成功地實(shí)現(xiàn)了左手通帶和禁帶的連續(xù)移動(dòng).為進(jìn)一步制作可調(diào)諧左右手漏波天線,可調(diào)諧左右手耦合器等微波電子器件奠定了基礎(chǔ).2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1.結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成在文獻(xiàn)提出的集總元件左右手組合帶隙材料中,當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)的單元長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比很小時(shí),集總元件電容和電感的大小對(duì)左手通帶的特性具有決定性的作用.當(dāng)集總元件的電容改變或者電感改變時(shí),左手通帶的頻率區(qū)間相應(yīng)地發(fā)生變化.在微波波段,連續(xù)地改變表面安裝元件電感的數(shù)值是很困難的,如果把文獻(xiàn)中的集總元件電容用變?nèi)荻O管來代替,就可以方便地調(diào)節(jié)左右手組合材料的左手通帶.圖1是我們?cè)O(shè)計(jì)制作的一維可調(diào)諧左右手組合材料的結(jié)構(gòu)示意圖.2.2.印刷板及制作了微帶線、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)可調(diào)諧左右手組合材料采用雙面印刷電路板制作,基底介電常數(shù)εr=4.75,板厚1.6mm,印刷板上下表面敷以銅箔,銅箔厚30μm.變?nèi)荻O管之間通過微帶相連接,貼片電感L通過微帶中的小孔把印刷板的上下表面連接起來.限流電阻R為10kΩ.微帶線的寬度為3.0mm,由軟件Txline可以知道,在頻率為2GHz時(shí),微帶線的特征阻抗為50Ω.微帶的特征阻抗與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗相匹配,微波源與可調(diào)諧材料網(wǎng)絡(luò)之間不存在反射波.電感采用L=4.7nH的貼片電感.可調(diào)電容采用Philips公司的變?nèi)荻O管BB135,最小電容值在頻率為1MHz時(shí)C=2pF,變?nèi)荼葹?0.3.測(cè)量和討論3.1.變?nèi)莶捎梅聪蚱秒妷旱挠绊懮⑸鋮⒘康臏y(cè)量使用AgilentVectorNetworkAnalyzer8722ES.散射參量S21(圖2),三條曲線分別對(duì)應(yīng)于反向偏置電壓0.5V,2V和4.5V.從圖2不難發(fā)現(xiàn):1)當(dāng)變?nèi)荻O管BB135的反向偏置電壓增加時(shí),二極管的電容減小,左手通帶的起始頻率點(diǎn)f1向高頻方向移動(dòng),同時(shí)禁帶的起始頻率f2也向高頻方向移動(dòng),即禁帶的中心頻率向高頻方向移動(dòng),而禁帶的終止頻率f3(右手通帶的起始頻率)幾乎保持不變(圖2中的直線).結(jié)果,禁帶越來越窄.上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明,說明貼片電感的大小以及電容和電感所在的微帶系統(tǒng)的性質(zhì)決定了f3的大小,電容的大小對(duì)f3影響甚微.2)隨著變?nèi)荻O管的反向偏置電壓的升高,禁帶的底部逐漸抬高.即二極管的電容越小,微波的透射率越大,反射波越弱.3.2.相位滯現(xiàn)象的數(shù)據(jù)處理在測(cè)量S21的大小的同時(shí),我們對(duì)傳輸參數(shù)的位相進(jìn)行了測(cè)量.矢量分析儀測(cè)量的位相的數(shù)據(jù)范圍在-180°到+180°之間.由于圖1所示的微波網(wǎng)絡(luò)的相位變化隨著頻率的增加而增加,按照上述原則,我們對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理,圖3(a),(b)和(c)中的三條曲線表示電壓在0.5V,2V和4.5V時(shí)一個(gè)單元的位相變化.對(duì)比圖2、圖3可知:1)相位滯后為-π的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于左手通帶的起始頻率f1,位相曲線上存在兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)于圖2中的禁帶頻率f2和f3;(2)禁帶區(qū)單元電路位相滯后接近于零.4.結(jié)果的理論分析4.1.可調(diào)諧一維乙方組合介質(zhì)的色散方程圖4為一維可調(diào)諧左右手組合材料微波通路的單元電路原理圖.每個(gè)單元由兩個(gè)變?nèi)荻O管和一個(gè)貼片電感組成.二極管的電容用C表示、貼片電感用L表示,連接它們的微帶線的長(zhǎng)度均為d,一維左右手材料的一個(gè)單元的長(zhǎng)度用d0表示.用β表示微帶線中微波的相移因子,用θ=βd表示長(zhǎng)度為d的微帶線中微波的位相延遲,βBloch表示微波通過整個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)的相移因子,Z0表示微帶線的特征阻抗,根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論,可以得到圖2所示的可調(diào)諧一維左右手組合介質(zhì)的色散方程如下:cosβBlochd0=cos3θ+(1Z0ωC+Z02ωL)sin3θ+12Z20ω2C2sin2θsinθ?1ω2LCcos2θcosθ?sin2θcosθ4ω3LC2Z0.(1)cosβBlochd0=cos3θ+(1Ζ0ωC+Ζ02ωL)sin3θ+12Ζ02ω2C2sin2θsinθ-1ω2LCcos2θcosθ-sin2θcosθ4ω3LC2Ζ0.(1)4.2.電容c的影響二極管在BB135的電容與電壓的函數(shù)關(guān)系如圖5所示.測(cè)試在Agilent公司的介電譜儀上進(jìn)行,測(cè)量頻率為0.8GHz.把貼片電感L=4.7nH,微帶線的特征阻抗R=50Ω,相速度VTL=1.54×108?m/s,二極管的電容5pF,8pF,10pF,15pF和20pF分別帶入色散方程(1)可得到一組色散關(guān)系如圖6所示.很明顯,圖6中的色散曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:下部為左手通帶區(qū),上部右手通帶區(qū),左右手通帶區(qū)之間為禁帶區(qū)(bandgap).從圖6可以知道:隨著電容的增大,色散曲線的上半部分保持不變(對(duì)應(yīng)于圖2的f3),下半部分的頂點(diǎn)逐步下降,禁帶越來越寬.二極管的反向電容隨反向偏置電壓的增大而減小,也就是說,當(dāng)電壓升高時(shí)禁帶應(yīng)該越來越窄,比較實(shí)驗(yàn)部分(圖2所示)與理論圖6可知,從禁帶的變化趨勢(shì)上看理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的.按照二極管電容與電壓的函數(shù)關(guān)系圖5,二極管的在電壓為0.5V時(shí),電容C=22pF;電壓為2V時(shí),電容C=15pF,電壓為4.5V時(shí),電容為10pF.把d=1.8mm,R=50Ω,L=4.7nH分別代入色散方程(3),做出理論上的單元相移曲線如圖3(a),(b)和(c)中的虛線所示.圖3中的虛線與實(shí)線(實(shí)驗(yàn)曲線)能夠非常好地符合.5.可調(diào)諧阿斯塔納本文介紹了可調(diào)諧一維左右手組合材料的制作方法.用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)可調(diào)諧左右手人工組合介電材料的傳