（通信与信息系统专业论文）新型负折射率微波媒质设计方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 负折射率媒质的等效介电常数与等效磁导率同时为负，具有非常奇异的电磁 特性，在军事和民用领域有着广泛的应用前景。因此，探索和发展负折射率媒质 的人工合成方法具有重要的科学意义和实用价值。本学位论文基于国家自然科学 基金项目“可控调谐型负折射率微波材料的合成方法及特性研究”的研究目标， 对基于绝缘型亚铁磁材料人工合成出具有可调谐特性的负折射率微波媒质的设计 方法进行了深入研究，论文主要研究工作及取得的创新性成果如下： 一利用有效媒质理论设计出一种c 波段负等效折射率的复合媒质，数值计 算并分析了该复合媒质的等效介电常数与等效磁导率的频率响应特性。计算结果 表明，在磁导率为负的绝缘型亚铁磁材料- y i g 内均匀嵌入等效介电常数为负的金 属导体线阵列结构，所构成的复合媒质的等效介电常数在5 2 6 9 - 7 3 3 2g h z 频段内 为负，等效磁导率在5 5 8 7 6 1 4 9g h z 频段内为负，从而在频段相互重叠的c 波段 内，其等效折射率为负，验证了分析方法的有效性。 二利用基于三维时域有限积分法的电磁场仿真程序模拟了设计的复合媒质 的电磁特性。仿真结果表明，在导体线周期阵列结构的等效介电常数为负的 7 0 2 9 8 0g h z 频段与基体y i g 等效磁导率为负的5 2 2 8 1 4g h z 频段相重叠的 7 5 1 8 1 3g h z 频段内，入射电磁波能够通过复合媒质，并在复合媒质与常规正折 射率媒质的交界面处发生了负折射现象，证实了复合媒质在该带宽内等效折射率 为负，验证了新型负折射率微波媒质设计方法的可行性。 三设计并加工出基于合金钢的直流磁场发生器和基于软磁铁氧体的交流磁 场发生器，并对两种磁场发生器的磁场分布特性进行了测量和实验研究。直流磁 场发生器在电流为3 5 6 安培时，气隙中央平面9 2m i n x 9 2m i i l 区域内的磁感应强度 为2 4 8 0 2 5 1 0 高斯，最大波动为3 0 高斯；交流磁场发生器在电流为5 9 9 安培时， 气隙中央平面9 6m m x 9 6t o r t l 区域内的磁感应强度为2 5 7 0 - 2 6 0 0 高斯，波动在3 0 高斯以内。实验测量结果与数值仿真结果基本一致，达到设计要求。 四设计并加工出测量复合媒质中电磁波传输折射特性的实验装置，利用该 装置实测了由金属导体线阵列和双开口谐振环阵列合成的负折射率媒质的电磁波 中文摘要 传输特性，实验测量结果与数值仿真结果基本吻合，验证了设计的实验装置的可 靠性，为下一步进行基于亚铁磁材料的负折射率媒质的实验测量提供了基础。 关键词：负折射率媒质，亚铁磁材料，有效媒质理论，电磁仿真，磁场发生器 a b s t r a c t a b s t r a c t n e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e xm a t e r i a l s ( n i u 聊i sa k i n do fs u b s t a n c e 埘mn e g a t i v e p e r m i t t i v i t ya n dp e r m e a b i l i t ys i m u l t a n e o u s l y n r l mh a v es o m ei n t e r e s t i n ga n d u n u s u a l e mt r a n s m i s s i o na n dr e f r a c t i o np r o p e r t i e sw h i c hm e a nt h a tt h e yw i l lh a v eb r o a d p o t e n t i a l i t i e s i nb o t hm i l i t a r ya n dc i v i la p p l i c a t i o n s t h er e s e a r c hw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o nw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n aw h i c h h a sp r e s e n t e dan o v e la p p r o a c ht od e s i g nn r i mb yi n c o r p o r a t i n gm e t a lw i r ea r r a yw i t h n e g a t i v ee f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n ti n t of e r r i m a g n e ts u c ha sy i gw h o s ep e r m e a b i l i t y i sn e g a t i v ew h e na l le x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da p p l i e d t h em a i nr e s e a r c ha c t i v i t i e sa n d i n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sg a i n e da r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 ac o m p o s i t em e d i u mh a v i n gan e g a t i v er e f r a c t i o ni n d e xi ncb a n dw a sd e s i g n e d , a n di t se f f e c t i v ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e sw a sc o m p u t e da n a l y t i c a l l yb a s eo nt h e e f f e c t i v em e d i u mt h e o r y t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c t i v ep e r m i t t i v i t ya n d p e r m e a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t em e d i u ma r en e g a t i v es i m u l t a n e o u s l yi nac - b a n d f r e q u e n c yr e g i o nw h e r et h ee f f e c t i v ep e n n i t t i v i t yi sn e g a t i v ei n t h ef r e q u e n c yr a n g e f r o m5 5 8 7g h zt o6 1 4 9g h za n dt h ee f f e c t i v ep e r m e a b i l i t yi sn e g a t i v ei nt h e f r e q u e n c yr a n g ef r o m5 2 6 9g h z t o7 3 3 2g h z i td e m o n s t r a t e st h ee f f e c t i v er e f r a c t i v e i n d e xo f t h ed e s i g n e dc o m p o s i t em e d i u mi si n d e e dn e g a t i v ea n da s c e r t a i n st h ep r o p o s e d m e t h o ds y n t h e s i z i n gm i c r o w a v es u b s t a n c eo f n e g a t i v er e f r a c t i o ni n d e xi sv i a b l e 2 t h ee l e c t r o m a g n e t i c ( e m ) p r o p e r t i e so ft h ed e s i g n e dc o m p o s i t em e d i u mh a v e b e e ns i m u l a t e db yn s eo fe me d a p a c k a g eb a s e do nt i m e - d o m a i nf i n i t ei n t e g r a t i o n m e t h o d 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h ee f f e c t i v ep e r m i t t i v i t yo ft h ed e s i g n e d m e t a l l i cw i r ea r r a yi sn e g a t i v ei nt h ef r e q u e n c yr a n g ef r o m7 0 2g h zt o9 8 0g h z ， t h ep e r m e a b i l i t yo fy i os u b s t r a t ei m m e r s e di n t oa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di sn e g a t i v e i nt h ef r e q u e n c yr a n g ef r o m5 2 2g h zt o8 1 4g h z ，( 9e mw a v ec a l lp a s st h r o u g ht h e c o m p o s i t em e d i u ms y n t h e s i z e db yt h ea b o v ed e s i g n e dm e t a l l i cw i r ea r r a ya n dy i g s u b s t r a t e ，a n d t h en e g a t i v er e f r a c t i o nb e h a v i o ro e c l 1 幅o nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e c o m p o s i t em e d i u ma n dt h en o r m a lm a t e r i a lw i t hp o s i t i v er e f r a c t i v ei n d e xi n7 5 1 8 1 3 m a b s t r a c t g h zf r e q u e n c yr a n g e , i nw h i c ht h ee f f e c t i v ep e r m i t t i v i t yo ft h em e t a l l i cw i r ea r r a ya n d t h ep e r m e a b i l i t yo f y i gs u b s t r a t ea r en e g a t i v es i m u l t a n e o u s l y t h ef u l lw a v es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ed e s i g n e dc o m p o s i t e m e d i u mi si n d e e dn e g a t i v ea n da s c e r t a i n e dt h ep r o p o s e da p p r o a c ht od e s i g nm i c r o w a v e m e d i u mw i t hn e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e xi sv a l i d 3 t w ot y p e so fm a g n e t i c - f i e l d - p r o v i d e rh a v eb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e df o r p r o v i d i n g t h ee x t e r n a l m a g n e t i c f i e l d a p p l i e dt of e r r i m a g n e t - y i g o n ei sd e m a g n e t i c - f i e l d - p r o v i d e r b a s e do na 3 s t e e l ，a n d t h eo t h e ro n ei sa c m a g n e t i c - f i e l d - p r o v i d e r b a s e do nf e r r i t e t h ep e r f o r m a n c e so ft h ei m p l e m e n t e d m a g n e t i c - f i e l d p r o v i d e r sh a v e b e e nm e a s u r e ds y s t e m a t i c a l l y o nt h ep l r i l eo f9 2 m m x 9 2 m mw i t h i n g a s - g a p ，t h e f i e l dm a g n i t u d eo fd cm a g n e t i c f i e l d - p r o v i d e r o p e r a t i n ga tad cc u r r e n to f3 5 6a m p e r ei sf r o m2 5 7 0g st o2 6 0 0g s ，t h ef i e l d m a g n i t u d eo fa cm a g n e t i c - f i e l d p r o v i d e ro p e r a t i n ga tad cc u r r e n to f5 9 9a m p e r ei s f r o m2 4 8 0 g st o2 5 1 0 g s ，t h e f i e l d m a g n i t u d er i p p l e s o fd ca n da c m a g n e t i c - f i e l d p r o v i d e r sa r ea l ll e s st h a n3 0g s i ts h o w st h em e a s u r e dp e r f o r m a n c e so f t w ok i n d so f m a g n e t i c f i e l d - p r o v i d e r ss a t i s f yt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s 4 at e s ta p p a r a t u su s e dt om e a s u r ee mw a v e p r o p a g a t i o np r o p e r t i e si nn r i ma n d e mw a v er e f i e c t i o np r o p e r t i e so nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nn r i ma n dt h en o r m a lm a t e r i a l w i t hp o s i t i v er e f r a c t i v ei n d e xh a sb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y t h e e mw a v ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e si nan r i mf o r m e db yt h ea r r a ys t r u c t u r eo fm e t a l l i c w i r e sa n ds p l i tr i n gr e s o n a t o r sh a v e b e e nm e a s u r e da n di n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yb y u s eo ft h ei m p l e m e n t e da p p a r a t u s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa s c e a t a i nt h ed e v e l o p e dt e s t s y s t e ma n dm e a s u r em e t h o da l ev i a b l ea n dr e l i a b l e ，i tc a nb eu s e dt oe x p e r i m e n t a l l y s t u d ye m w a v ep r o p e r t i e si nn r i mb a s e do nf e r r i m a g n e t - y i ga n dm e t a l l i cw i r ea r r a y i nt h en e x ts t e p k e y w o r d s ：n e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e xm a t e r i a l s ，f e r r i m a g n e t , e f f e c t i v em e d i u m t h e o r y , e ms i m u l a t i o n , m a g n e t i c - f i e l d - p r o v i d e r 一 图目录 图目录 图1 1 最小尺寸达5 0 纳米的开口谐振环结构4 图1 2 采用三线结构的n r i m 中的金属线和谐振环4 图1 3 单环多开口结构的谐振环结构4 图1 - 4 对称的多层金属电介质结构6 图1 5 简单的成对金属带阵列结构6 图1 - 6 条状金属线和谐振环相叠加的结构7 图1 7 工字形金属带和s r r 相叠加的结构7 图1 8 成对的s 形谐振金属带单元结构7 图1 - 9 简单的长短金属线周期阵列的单元结构8 图1 1 0 长短金属线周期阵列结构的单板实物照片8 图1 1 l 成对的h 形谐振金属带的单元结构9 图1 1 2 分布式l - c 二维网络的单元结构9 图1 1 3 使用电感电容的高通拓扑结构9 图1 1 4 基于非对称微带线结构的n r i m l l 图1 1 5 基于共面波导结构的n r i m 1 1 图1 1 6 基于对称共面波导结构的n r i m 1 1 图1 1 7 利用变容二极管实现工作频带动态调控的n r i m 结构1 2 图1 1 8 基于鳍线结构的n r i m 1 3 图1 1 9 基于同轴波导结构的n r i m 1 3 图1 2 0 利用介质加载波纹波导结构的n r i m 1 3 图1 2 1 光子晶体的能带结构1 5 图1 2 2 波矢量与群速的方向示意图1 5 图1 2 3 利用n r i m 实现的电可控漏波天线。1 7 图1 2 4 能够传播表面等离子波的m d m 结构1 9 图1 - 2 5t m 波的色散图1 9 图2 1 平行磁化时，两组本征波的相对磁导率的频率响应特性2 5 图2 2 电磁波在y i g 中传播的电磁仿真模型2 5 图2 3 平行磁化时，仿真的y i g 的电磁波传输系数2 6 图2 - 4 垂直磁化时，本征波i 的相对磁导率的频率响应特性2 7 图2 5 。频响特性曲线的两个零点随饱和磁化强度的变化情况2 7 图26,u1频响特性曲线的两个零点随外加磁场强度的变化情况28r 图2 7 垂直磁化时，仿真的y i g 的电磁波传输系数2 8 图2 8 一维金属导体线周期阵列结构2 9 图2 9 三维金属导体线周期阵列结构2 9 图2 1 0 仿真的金属导体带周期阵列在均匀媒质中的电磁波传输系数3 0 i 图目录 图2 1 1 平行磁化时，复合媒质的等效介电常数的频率响应特性3 2 图2 1 2 平行磁化时，复合媒质的等效磁导率的频率响应特性3 3 图2 一1 3 垂直磁化时，复合媒质的等效介电常数的频率响应特性3 3 图2 1 4 垂直磁化时，复合媒质的等效磁导率的频率响应特性3 4 图3 1y i g 中嵌入了金属导体带周期阵列的复合媒质模型3 5 图3 2 复合媒质模型的单元结构( 边长4 m m ) 3 6 图3 3 仿真的垂直磁化时复合媒质的电磁波传输系数3 6 图3 - 4 仿真电磁波在两种媒质交界面的折射特性的模型3 7 图3 5 电磁波在两种媒质交界区域内折射特性的仿真结果3 7 图3 - 6 仿真的平行磁化时复合媒质的电磁波传输系数3 8 图4 - 1 绕有导线的环形铁芯4 1 图4 2 拟设计的磁场发生器的外形结构4 2 图4 3a 3 钢及1 0 号优质碳钢的b 一日曲线4 4 图4 - 4 设计中所使用的线圈导线4 5 图4 5 以a 3 钢为磁芯的磁场发生器照片4 5 图4 - 6 以软磁铁氧体为磁芯的磁场发生器照片4 6 图4 7 a 3 钢实际参数模型与仿真参数模型的比较4 7 图4 - 8 仿真得到的磁场分布截面图4 7 图4 9 磁场沿气隙中央对角曲线的分布图4 8 图4 - 1 0 实验测量值与仿真的，曰曲线的比较4 8 图4 1 1 气隙中高度为1 6m i l l 的平面上的磁场分布图4 9 图4 - 1 2 气隙中高度为7 5t o n i 的平面上的磁场分布图4 9 图4 - 1 3 气隙中高度为1 21 l l n 的平面上的磁场分布图5 0 图5 - 1 谐振环周期阵列电路板单片，白色部分为保留的敷铜带5 l 图5 - 2 双开口金属谐振环单元结构5 2 图5 3 金属带周期阵列电路板单片，白色部分为保留的敷铜带5 2 图5 - 4 测量合成媒质电磁波传播特性的导波系统5 3 图5 5 实验装置实物照片，右上小图为印刷电路板单片照片5 3 图5 - 6 实验测得的标准波导、空载状态及系统损耗的电磁波传输系数曲线5 4 图5 - 7 实验测得的n e m 、n m m 及n r i m 结构的电磁波传输系数曲线5 5 图5 - 8 基于金属线和谐振环的n r i m 的单元结构5 6 图5 9n e m 和n m m 的单元结构5 6 图5 1 0 仿真的金属带周期阵列单元结构的色散特性5 7 图5 一l l 仿真的开口谐振环阵列单元结构的色散特性5 7 图5 一1 2 仿真的n r i m 单元结构的色散特性。5 8 图5 1 3 仿真所得电磁波特征频率随基板介电常数的变化特性5 9 图5 1 4f e m 仿真所得b j - 1 0 0 标准金属波导色散曲线与理论值及f i m 的比较6 0 图5 - 1 5 实际加工负折射率微波媒质时拟采用的多层物理模型6 0 图5 1 6 垂直磁化时，x 2 0 n i 铁氧体等效相对磁导率的频率响应特性6 1 表目录 表目录 表4 1 计算得到的各线圈参数4 3 表4 - 2 设计的磁场发生器所需要的线圈参数4 4 表4 - 3 软磁铁氧体磁芯具体参数4 4 表4 - 4 设计的h 型磁场发生器的外型尺寸4 5 表5 - 1 加工n r i m 实验样品时所采用的微波铁氧体物理参数6 1 缩略词表 缩略词表 英文缩写英文全称中文释义 l 】 i m l e f t h a n d e dm a t e r i a l s左手媒质 n r m n e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e xm e d i u m负折射率媒质 d n md o u b l en e g a t i v em a t e r i a l s双负材料 b 、v mb a c k w a r dw a v em a t e l i a l s 返波材料 i n dm e t a - m a t e z i a l s奇异媒质 s r r s p l i tr i n gr e s o n a t o r 金属开口谐振环 m s p m e t a l l i cs t r i pp a i r s成对金属带 e f s e q u i f t c q u e n c ys u r f a c e 等频率曲面 m d m m e t a l d i e l e c t r i c - m e t a l 金属一电介质金属结构 f d t df i n i t e d i f f c r e n c et i m e d o m a i n时域有限差分方法 n m m n e g a t i v e - m u - m e d i u m负等效磁导率媒质 n e m n e g a t i v e - e p s i l o n - m e d i u m 负等效介电常数媒质 f e mf i i l i t ee l e m e n tm e t h o d有限元方法 f i mf i n i t ei n t e g r a t i o nm e t h o d有限积分方法 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：莹至焘 一日期：劢曰年s 月2 。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：望墨叁导师签名：童塾垡： 日期：叶年r 月2 口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1负折射率媒质及其研究概况 自然界中迄今尚未发现介电常数和磁导率同时为负值的天然材料。1 9 6 4 年，前 苏联科学家vgv e s e l a g o 理论分析了电磁波在假想的介电常数与磁导率同时为负 值的各向同性均匀媒质中的电动力学行为，预见出诸如负折射效应、逆多普勒效 应、逆切伦柯夫辐射等非常特殊的电磁特性【l 】。v e s d a g o 称这种假想媒质为左手媒 质( l e f t - h a n d e dm a t e r i a l s ，l h m ) ，目前学术界亦称之为双负材料( d o u b l en e g a t i v e m a t e r i a l s ，d n m ) 、负折射率媒质( n e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e xm a t e r i a l s ，n r i m ) 、返 波材料( b a c k w a r dw a v em a t e r i a l s ，b w m ) 等。d n m 是指该合成媒质的等效介电 常数与等效磁导率同时为负；n r i m 则源于该合成媒质奇异的负折射特性，虽然后 来发现常规材料的特殊周期阵列也可实现负折射特性( 如光子晶体) ，但依然有许 多研究者认为使用n r i m 描述该合成媒质较为恰当；由于返波特性也可由其它方 式产生，因此b w m 这名称并未广泛使用。鉴于目前还没有公认的统一名称， 研究者曾采用m e t a - m a t e r i a l s ( m t m ) 以统称之，m t m 是一个比较含糊的词汇， 原意指超自然的物质，这里指自然乔不存在的人造媒质，目前学术界专指内部电 磁波相速与群速方向相反的物质。为了行文统一，本文采用比较公认的名称 n r 蹦。 2 0 0 0 年，d r s m i t h 等人基于j b p e n d r y 提出的利用金属导体线阵列构造单 负介电常数媒质 2 1 、利用双开口谐振环阵列( s p l i tr i n gr e s o n a t o r s ，s r r s ) 构造单 负磁导率媒质 3 】的思想，首次人工合成出在x 波段等效介电常数和等效磁导率同 时为负的n r i m l 4 1 ，并于次年在实验中观察到x 波段的电磁波通过这种人工合成媒 质与空气的交界面时发生了负折射现象i s 。由于上述实验中能量的传输参数较小， 有学者认为观察到的现象可能仅仅是由能量吸收引起的。但随后的讨论1 6 1 1 7 1 8 】及实 验 9 1 充分证明，人工合成n r i m 确实存在，而且并不违反“因果定律”和“群速不 可大于光速”两条定律。 尽管如此，有研究者从理论上对金属导体线阵列结构与双开口谐振环阵列结 构的相互影响提出了置疑，p o k r o v s k y 等人【1 0 l 认为，在一定条件下，平行金属导体 电子科技大学硕士学位论文 线阵列可以产生负值的等效介电常数，但是，将金属线阵列嵌入到等效磁导率为 负的主媒质中时，该复合媒质并不支持电磁波的传输，即不能构造出n r i m 。对此， d s m i t h 等人认为，p o k r o v s k y 等人对均匀主媒质内嵌金属线阵列的系统给出了 一种有用的分析，但是，他们的结论与通过小体积分数金属填充物置于真空中构 造n r i m 的方法并无物理上的矛盾，因为在金属导体线与开口谐振环相叠加的 n r i m 系统中，可以通过合理的位置安排，使得金属线阵列子系统与谐振环子系统 之间的相互影响大大降低【1 1 1 。事实上，更多的实验结果表明，二者的相互影响虽 很小但不可避免，这将导致谐振频率的少许偏移和结构总体损耗的增加。可以看 出，争论的双方在“负磁导率媒质内嵌金属线阵列结构是否支持电磁波传输”问 题上，观点依然模糊不清。随后的研究者对n r i m 在谐振区域的磁特性给出了一 种严格的理论分析，结果表明负磁导率媒质内嵌金属线阵列结构也支持电磁波的 传输，只是会导致倏逝波( e v a n e s c e n tw a v e ) 而已l l “。 随着基于金属导体线与开口谐振环阵列结构n r i m 的出现及其构造方法合 理性的证实，国际物理学冥与电磁学界掀起了研究n r i m 的热潮。目前比较活跃 的研究方向有( 1 ) 采用类似s m i t h 等人的思路，设计三维几何构造的n r i m ；( 2 ) 利用传输线与电路技术构建基于二维平面电路的n r m ，实现返波、负折射等新特 性；( 3 ) 利用周期性带隙结构控制波的传输，从而实现负折射效应；( 4 ) 基于上 述三种方法及其它人工合成n r i m 的方法，进行广泛的应用研究。 1 2负折射率媒质的制备及其应用 如前所述，目前人工合成n r i m 的方法主要有三种，下面分别对其构造及研 究状况进行了详细介绍，同时，举例说明了基于上述合成方法的n r i m 应用。 a 三维几何构造的n r i m 针对金属导体线与开口谐振环相叠加阵列结构的三维几何构造的n r i m ，研究 热点之一是如何提取该非均匀结构的等效电磁参数，从而确定其等效电磁特性。 综合文献 1 3 】、【1 4 1 的观点，有公式 墨。= f r ( 1 荫- m 万2 ) 是= i ( 1 - 夏r 矿2 ) m 2 第一章绪论 其中r = ( z 一1 ) ( z + 1 ) ，z 为合成媒质的等效阻抗，m = 矿州，月为等效折射率， 为真空中波数，d 为合成媒质的等效长度。由上述各式可得 墨，= 丽( 疆- i + 再e 2 如a 丽) ( - 丽i + z 2 ) 最，= 刁五万4 e 州丽z 丽 可见，若已知墨。、墨。，上式便是关于蚪和z 的二元方程组，容易解得 z = ( i - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 但求解n 却比较困难，需要按照限制条件r e ( z ) 0 、l m ( n ) 0 对各种可能根进行 选择取舍。 d s m i t h 所在的研究小组【1 5 j 1 6 j 【1 刁利用公式 玎= - - 去o o s - i k ( - 一s t l 2 + 刮 s ，舻 l 瓦i 卜 岛- j l u 巧 对折射率n 进行了提取计算，从而由占驴= n z ；z 矿= 彪得到了合成媒质的等效介 电常数与等效磁导率妇a 合成媒质的周期性是影响其等效电磁参数提取的关键因烈培】，只有阵列结构 的周期尺寸远小于电磁波波长时，周期性的影响才可忽略不计。当然，结构周期 尺寸显著大于材料分子尺寸也是上述提取方法成立的一个前提条件。然而，我们 应注意到，有些n r i m 本身是双各向异性( b i a n i s o t r o p i c ) 的，因此，仅仅根据平 板媒质的传输参数与反射参数来计算其等效媒质参数并不严格正确，结果也与根 据合成媒质内部场所得结果【1 9 】有细微差别。同时应该注意到，上述方法对于下文 提到的光子晶体或带隙材料并不成立，因为光子带隙材料的周期尺寸已与电磁波 波长可比拟。 由于微波波段n r i m 的构造、理论分析及应用日益完善，更高频段( 如红外 及可见光波段) n r i m 的研究成为另一个热点。 由开口谐振环与金属线相叠加之阵列结构实现负值等效折射率的物理原理我 们知道，金属线阵列所构成的类等离子体在较高频带亦可实现负值的等效介电常 电子科技大学硕士学位论文 数，因此，将人工合成负折射率媒质的工作频率提高到更高频段如可见光波段的 关键因素在于提高谐振环的磁性谐振频率。理论上讲，恰当的改变s r r 的几何参 数便可实现更高的磁性谐振频率，目前，利用s r r 在红外或光波波段实现负值等 效磁导率的理论分析1 2 0 和实验测型2 1 1 都有文献报道，实现2 0 0t h z 的谐振频率时， s r r 的最小尺寸已达5 0 纳米( 如图1 1 ) ，对加工工艺要求已很高，并且在此数量 级分析设计s r r 结构时，必须要考虑表面等离子激励和兰道阻尼( l a n d a ud a m p i n g ) 所引起的能量耗散。 图1 1 最小尺寸达5 0 纳米的开口谐振环结构 图i - 2 采用三线结构的n r i m 中的金属线和谐振环 图1 - 3 单环多开口结构的谐振环结构 m g o k k a v a s 等人 2 2 1 依据上述原理构造出了工作频率在1 0 0g h z 的具有左手 传输特性的n r i m ，并进行了实验验证。为了提高金属线阵列的等离子体频率，他 们根据p d r ) r 等人得出的解析公式= ”咿矿岛镑= 2 1 t c ；肛2 1 i l ( 纠，) 进行分析 4 - 第一章绪论 计算，采用了如图1 2 所示的三线结构。首先，s r r 和金属带( 金属银) 分别印 制在玻璃单板上，然后整个n r i m 由s r r 单板与金属线单板堆积叠加而成，其中 每两个s s r 单板中间放置两个金属线单板，即在单元结构内，一个s r r 对应两层 三线结构。实验结果显示，单独s r r 结构( 单元结构包括一个s r r 单板和两个空 玻璃基板) 的传输禁带与n r i m 结构( 单元结构包括一个s r r 单板和两个金属线 单板) 的传输通带在1 0 0 g h z 左右相互重叠，而将开口谐振环替换为闭合圆环时， 则无上述结果出现，从而验证了n r i m 的左手传输特性。此外，通过文献 1 7 】的方 法所提取的复合媒质等效折射率在1 0 0g h z 处也显示为负。 将谐振环尺寸减小以提高谐振频率的方法要求更高辨析率的照相平版印刷技 术( h i g h e rr e s o l u t i 0 1 1p h o t o l i t h o g r a p h y ) 和更薄的基板，从而便会遇到物理加工的 实际困难，因而需要在提高磁性谐振频率的同时，使用相对简化的单元格结构( 例 如单环多开口结构，如图1 3 ) ，但问题是，随着谐振结构的简化，通过改变谐振 环几何构造来增加等效电感和电容的可能性便会减小。同时，研究者发现，单环 多开口s r r 在光波波段实现负值等效磁导率时，其磁性谐振响应存在一个极限。 即，随着单元结构尺寸的减小，实现以， 区域) ，又具有辐射特性 ( 例 k o 区域) ；而后者只有导波特性。这样，前者的馈电方式就更简单，效率也 更高。( 2 ) 前者具有从后向到前向1 8 0 度的连续扫描能力，而后者只有从侧向到 前向9 0 度的扫描宽剧。7 4 】。 j n h ! t “ 焉露群 图1 - 2 3 利用n r i m 实现的电可控漏波天线 参照上述思想，l i m 等人【7 3 】提出了一种基于n r i m 的电可控传输线结构，作 为一种新型的漏波天线，其具有可调的辐射角度和波束宽度。如图1 - 2 3 所示的单 元结构，在基本的左右手微带线结构中引入了变容二极管，这样，在多个单元格 的阵列结构中，天线固定频率辐射角度的动态扫描便可通过统一改变二极管偏置 电压进而改变结构的电容来实现；可调的波束宽度则可以通过非均匀地调整各单 元结构中变容管的偏置电压来实现。基于等效电路模型分析，作者设计了一个包 含3 0 个单元结构的漏波天线，实验测得在频率点3 3 3g h z 处，天线的辐射角扫描 范围为5 0 。到一4 9 ，半功率波束宽度较均匀偏置时提升到2 0 0 。经实验测试，该 一1 7 电子科技大学硕士学位论文 天线可成功应用于1 0m b s 的相移键控传输系统。 n r i m 另外一个引入注目的特性是其能够放大光线的倏逝波分量，从而实现次 波长成像效应( s u b - w a v e l e n g t hi m a g i n g ) 。点光源辐射的电磁波包括传播模和倏逝 波两种成分，传统透镜只能接收到传播模信号而不能探测到倏逝波信息，因此成 像分辨率总存在一个与波长相比拟的衍射极限( d i f f r a c t i o nl i m i t ) ；而具有负折射特 性的n r i m 透镜则可以将全部信息，包括倏逝波，完全还原到像点，从而实现能 量的百分之百传