（光学工程专业论文）基于左手介质的新型微波器件研究.pdf

摘要 摘要 左手介质是一种重要的新型人工合成介质，它的介电常数和磁导率u 同时 为负值。它在微波与光学领域有着巨大的应用前景，从而得到越来越广泛的关 注，成为当前非常前沿和热门的研究领域之一。微波波段的左手介质由于加工 工艺简单，易于实现，而格外受到重视。目前利用l c 网络和平面微带线实现左 手介质，进而实现新型微波器件被广泛的关注，成为当前研究的热点。由于左 手介质所具有的独特性能，利用其特性实现新型器件成为广大科研工作者的追 求。目前左手介质的理论和应用研究刚起步，在理论分析，数值计算和实际应 用等诸多方面均有待深入。 本研究论文主要集中于探索微波段的左手介质的实现及其应用。本论文的 主要工作可以概括为：提出了几种新型的l c 网络结构来实现左手介质，利用这 些新型的l c 网络结构设计了微波陷波器、微波功分器、微波滤波器等新型微波 器件，同时还分别对它们进行了a d s 仿真分析和实验验证。本论文还提出了一 种新型的平面微带线结构来实现左手介质，并利用该新型左手介质结构设计了 种新型微波滤波器，通过有限元法对该新型微波滤波器进行了仿真分析，最 后进行了实验测试。 通过利用新型l c 网络和平面微带线结构实现左手介质，并利用这些新型结 构设计基于左手介质的新型微波器件，最后进行了仿真分析和实验验证。从仿 真和实验的结果，总结出了一些有益的启示。 关键词：左手介质，微波滤波器，微波集成电路，陷波器，功分器 摘要 a b s t r a c t l e f t - h a n d e dm a t e r i a l ( l h m ) i sa ni m p o r t a n tk i n do fs y n t h e t i cm e d i u m i ns u c h m a t e r i a l s ，b o t ht h ep e r m i t t i v i t y ( s ) a n dp e r m e a b i l i t y ( ) a r e n e g a t i v e s i m u l t a n e o u s l y p r e s e n t ly l e m h a n d e dm a t e r i a l sa r ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ， a n db e c o m eah o tr e s e a r c hi n t e r e s t sf o rt h e yh a v ei n t e n s i v e l yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n t h ef i e l d so fm i c r o w a v ea n do p t i c s l e f t h a n d e dm a t e r i a l sf o rm i c r o w a v ea r ep a i d m o r ea t t e n t i o nf o ri t se a s yf a b r i c a t i o na n dt e s t a tp r e s e n t ，l e r h a n d e dm a t e r i a l s r e a l i z e du s i n gl cn e t w o r ko rp l a n a rm i c r o s t r i ps t r u c t u r e sa r ea t t r a c t e ds i g n i f i c a n t a t t e n t i o ni nt h e i r a p p l i c a t i o n s l e r - h a n d e d m a t e r i a l sw h i c he x h i b i t m a n y e x t r a o r d i n a r yp r o p e r t i e sc a nb eu s e dt od e s i g nn o v e lm i c r o w a v ed e v i c e s h o w e v e r , t h ei n v e s t i g a t i o no nt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fs u c hm a t e r i a li sa ti t si n i t i a ls t a g e ， g r e a te f f o r t ss h o u l db ep u ti n t ot h er e s e a r c ho nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l m e t h o d sa n da c t u a la p p l i c a t i o n so f t h el e f t - h a n d e dm a t e r i a l s i nt h i st h e s i s ，t h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o n so ft h el e f t - h a n d e dm a t e r i a l si nt h e m i c r o w a v ef r e q u e n c ya r ci n v e s t i g a t e d t h ew o r ki sm a i n l yf o c u s e do n ：s e v e r a ln o v e l k i n d so fl cn e t w o r ka r ep r o p o s e dt or e a l i z et h el e f t - h a n d e dm a t e r i a l s u s i n gt h e p r o p o s e dl cn e t w o r k ，s o m en e wm i c r o w a v ed e v i c e sh a v eb e e nd e s i g n e ds u c ha s m i c r o w a v en o t c hf i l t e r ，m i c r o w a v e p o w e rd i v i d e r , a n d m i c r o w a v ef i l t e r t h e p r o p e r t i e so ft h e s ed e s i g n e dm i c r o w a v ed e v i c e sw e r ea n a l y z e dn u m e r i c a l l yb yu s i n g t h ea d ss o f ta n dw e r ea l s ot e s t e de x p e r i m e n t a l l y an e wk i n do fp l a n a rm i c r o s t r i p s t r u c t u r ei sa l s o p r o p o s e d t or e a l i z et h el e f t - h a n d e dm a t e r i a l s t h e n ，an o v e l m i c r o w a v ef i l t e ri sd e v e l o p e du t i l i z i n gt h ep r o p o s e dp l a n a rm i c r o s t r i ps t r u c t u r e s t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di se m p l o y e dt os i m u l a t et h en o v e lf i l t e ri nt h e o r e t i c a l l y a tl a s t ， t h ed e s i g n e df i l t e ri st e s t e di ne x p e r i m e n t a l l y t h el e f t - h a n d e dm a t e r i a l sa r er e a l i z e db yu s i n gn o v e ll cn e t w o r ka n dp l a n a r m i c r o s t r i ps t r u c t u r e s t h e n ，s e v e r a lm i c r o w a v ed e v i c e sa r ed e s i g n e du t i l i z i n gt h e p r o p o s e dl cn e t w o r ka n dp l a n a rm i c r o s t r i ps t r u c t u r e s w es t u d yt h e o r e t i c a l l ya n d n 摘要 e x p e r i m e n t a l l y o nt h ed e v e l o p e dm i c r o w a v ec o m p o n e n t s f r o mt h es i m u l a t e da n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ed r a ws o m eu s e f u lc o n c l u s i o n k e y w o r d s ：l e f t - h a n d e dm a t e r i a l s ，m i c r o w a v ef i l t e r , m i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ， n o t c hf i l t er p o w e rd i v i d e r 1 1 1 第五章左手介质的平面微带线微波滤波器 5 a 结论 利用左手介质成功设计、制作双模带通微波滤波器并进行了实验测试。该 新型微波滤波器可以通过印刷电路技术能很好的与其它的有源和无源微波器件 和电路进行集成。同时该微波滤波器具有双模带通，低的插入损耗，结构紧凑， 尺寸小，易于制作，以及成本低特点，上述性能均被仿真和实验测试的结果证 实。随着研究的进一步深入，设计好滤波的频率，该新型微波滤波器在未来的 低成本、结构紧凑的微波和毫米波通信系统中将具有很好的应用前景。 作者感谢：国家自然科学基金( 6 0 5 7 7 0 2 3 ) 和国家重大基础研究计划9 7 3 ( 2 0 0 4 c b 7 1 9 8 0 0 ) 资助。 5 5 参考文献 1 j i a - s h e n gh o n g , a n dm j l a n c a s t e r , m i e r o s t r i pf i l t e r sf o rr f m i c r o w a v e a p p l i c a t i o n s , j o h nw i l e y & s o n s ，n e wy o r k , 2 0 0 1 ，c h 1 0a n d1 1 2 x p c h e n ，w h o n g , t j c u i , j x c h e n ，a n dk w u , “s u b s t r a t ei n t e r g r a t e d w a v e g u i d e ( s l w ) l i n e a rp h a s ef i l t e r , ”i e e em i c r o w a v ew i r e l e s sc o m p o r tl e t t ， 1 5 ( 11 ) ：7 8 7 - 7 8 9 , 2 0 0 5 3 w j l u i ，z d c n g , c h c h e n g , a n dh b z h u ， n o v e lm u l t i l a y e rm i c r o s t r i p b a n d p a s sf i l t e rw i t hm u l t i s l o t so ng r o u n dp l a n e ，”m i c r o w a v ea n do p t i c a lt e c h n 0 1 l e t t ，4 7 ( 4 ) ：3 9 2 3 9 4 ，2 0 0 5 4 l z h u , a n dh w a n g , u l t r a - w i d e b a n db a n d p a s sf i l t e ro na p e r t u r e - b a c k e d m i c r o s t r i pl i n e ，”e l e c t r o n l e t t ，4 l ( 1 8 ) ：1 0 1 5 - 1 0 1 6 ，2 0 0 5 5 s f c h a n g , y h j e n g , a n dj l c h e n , d u a l b a n ds t e p - i m p e d a n c eb a n d p a s sf i l t e r f o r m u l t i m o d e w i t l e s s l a n s , ”e l e c t r o n l e t t ，4 0 ( 1 ) ：3 8 - 3 9 ，2 0 0 4 第一章绪论 1 1 左手介质概念 第一章绪论 负折射介质是一种重要的新型人工合成介质，得到越来越广泛的关注，成 为当前非常前沿和热门的研究领域之一。该新型人工合成介质的介电常数占和磁 导率z 同时为负值。前苏联物理学家v g v c s c l a g o 在1 9 6 8 年【l 】首次提出了左手 介质概念( l e f t - h a n d e d - m a t e r i a l ，简称l h m ) 他指出负折射介质不同于自然 界存在的和普通的人工合成材料( 介电常数和磁导率都是大于零) ，电磁波在这 种负折射介质中传播时，电场、磁场和波矢之问构成左手关系( 即波矢i 与电 场强度e 、磁场强度日满足左手法则) ，即波的传播方向和能量的传播方向相反。 同时，v g v e s c l a g o 还预测了该材料的许多非常引人注目的奇特性质，诸如负群 速度、负折射率、理想成像、逆d o p p l e r 频移、反常c e r v n k o v 辐射等种种奇异的 物理性质由于自然界中难以找到这种负折射率材料，因而v g v e s e l a g o 的工 作在很长一段时间里一直没有得到科学界足够的重视，可以说左手材料的研究 基本处于停顿状态。直到1 9 9 6 年，英国科学家p e n d r y 【2 】通过理论分析提出了金 属线周期排布的结构( w i r e sa r r a y ) ，其等效介电常数类似于等离子体。由于等离 子体的磁导率大于零，因此负介电常数使得等离子体对电磁波有强烈的屏蔽作 用等效的等离子体频率在g h z 水平，即该系统在i 强波段的等效介电常数为负 p e n d r y 3 在1 9 9 9 年用电介质体设计出了一种具有磁响应的周期结构，其微结构 胞元由2 个开口的薄铜片内外相套而成，即有缺口的环形共振环( s p l i tr i n g r e s o n a t o r s ，简称s r r s ) 阵列，实现了负的磁导率。随后负折射介质引起了研究 人员的极大关注，人们期待该类介质能够在理论和技术方面带来突破。2 0 0 1 年， 美国加州大学s a nd i e g o 分校的d a v i ds m i t h 等物理学家【4 】根据p e n d r y 理论， 并对他提出的两种结构组合在一起，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微 波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，成功设计并制作出了第一块左手介 质样品( 见图1 1 ) 。一年后，他们用这种负折射率介质做成棱镜，从实验室证 明了这种介质的折射率也为负【5 】，从而第一次证实了左手介质存在的事实之 第一章绪论 后左手介质的性质得到了反复的验证和证实【6 】。这使人们对负折射率介质的态 度发生了根本的改变( 尽管该实验曾引起个别争议) ，从此这种新型的人工合成介 质的研究逐渐成为全世界关注的焦点现在，世界范围内越来越多的科学家把 研究目标转向了负折射率介质。由于负折射介质具有许多奇妙的特性( 如倏逝 波放大，负折射效应等) 以及新颖的应用前景，自2 0 0 0 年起，负折射率介质已 成为电磁波、r f 技术和光电子学等方面国际会议的热点主题之一。 2 0 0 2 年底，麻省理工学院k o n gj i na u 教授阴从理论上证明了左手介质存在 的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实 现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等；同时根据左手介质不同凡响的特性，科学 家已预言可以应将左手介质用于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制 造更小的移动电话或者是容量更大的储存媒体；左手介质还可以应用于医学领 域的超级分辨率的医学成像。总之，所有的这些左手介质所具有的独特性能， 存在着巨大的应用前景，而左手介质的这些应用前景开始引起学术界、产业界 尤其是军方的无限遐想，为左手介质的研究形成热潮奠定了历史性基础。 ( a )( b ) 图1 1d a v i ds m i t h j 、组制作的左手介质样品 如今，随着左手介质研究的深入。各种实现左手介质的结构也被提出在 2 0 0 2 年，c h u i 等人【8 】提出了导电铁氧体纳米颗粒均匀分布于绝缘基体中的模 型，并通过复合材料动态有效介质理论预测出这种模型将具有左手性质。在实 验验证过程中，c h u i 等人证实这种复合材料在外加静磁场作用下能够体现出负 磁导率，并且发现颗粒尺寸达到纳米量级时，复合材料的损耗很小2 0 0 2 年， g v e l e f i h e r i a d e s 提出了基于电感电容( l c ) 网络结构实现负折射介质的新方 案。2 0 0 3 年，美国西雅i 琴l b o e i n gp h a n t o mw o r k s 的c p a r a z z o l i 与加拿大u n i v e r s i t y 第一章绪论 o ft o r o n t o 电机系的g v e l e f t h c r i a d e s 所领导的两组研究人员在实验中直接观 测到了负折射定律同年，s i m o v s k i 等人【9 】对经典的s r r 结构进行了改进，提 出了类似于n ( o m e g a ) 形状的结构单元( 图1 2 ) c h e r t 等人【l o 】在2 0 0 4 年设计出 结构更简单但与q 形状十分相似的s 型结构单元( 图1 3 ) 另外，p e n d r y 【l l 】于 2 0 0 4 年设计出可以实现负折射性质的手性( c h i r a l ) 结构。这种结构由薄铁片呈螺 旋状卷制而成螺旋产生的电感和螺旋问形成的电容使结构可以产生共振，在共 振频率附近将表现出负折射率性质之后的2 0 0 5 年，c h e n 等人 1 2 1 将s 型结构单 元组合在一起，设计出一种全新的类似于砖块的结构材料。实验表明，这种结 构不仅可以表现出左手材料性质，而且相对带宽( 带宽中心频率) 至少是其它结 构型左手材料的2 倍以上。基于科学家的理论突破和一系列实验工作的成功，左 手材料的研究在2 0 0 3 年，被s c i e n c e 杂恚评为当年十大科技进展之- - 1 3 图1 2 赋o m e g a ) 形状的左手介质结构单元 图i 3s 型左手介质结构单元 第一章绪论 1 2 国内外的研究现状 当前，世界上的许多发达国家政府和研究所如( 欧盟各国和美国) 均看到 了负折射介质的巨大潜力和应用前景，它们都高度重视左手介质的研究开发 如欧盟的联合研究项目m e t a m o r p h o s e ( m e t a m a t e f i a l so r g a n i z e df o rr a d i o m i l l i m e t e rw a v e , a n dp h o t o n i cs u p c r l a t t i c 2e n g i n e e r i n g ) ，总共有欧洲的2 4 所大学 参与。美国各大基金会( 如d a r p a ，n s f ，o n r ，a f s o r ，a r o 等) 都增加了 对负折射介质的研究支持力度。德国、意大利、新加坡、西班牙、日本、法国、 加拿大等国，在负折射介质的研究也投入了许多的研究经费，并且正积极寻求 国际合作以加快这一领域的研究发展 我国在负折射介质的研究起步也比较早，2 0 0 3 年浙江大学何赛灵教授主持 国家自然科学基金项目负折射率介质的前沿研究2 0 0 4 年，何赛灵教授作为首 席科学家承担了国家重大基础研究计划( 9 7 3 项目) 新型人工电磁介质的理论 与应用研究，主要进行负折射介质的理论和应用研究。同时参加合作研究的单 位包括浙江大学，南京大学、中科院物理所、同济大学，东南大学，中山大学、 西北工业大学等内地科研院所和高校，还有香港科技大学陈子亭教授的纳米科 技研究所。 关于左手介质的研究，在最近的n a t u r e ，s c i e n c e ，和p h y s i c sr e v i e wl e t t e r s 等国际顶尖杂志上已有上百篇文章发表。而且世界上每年都有几百篇有关左手 介质的文章在其它国际期刊上发表。左手介质的最初是在微波频段得到实验验 证，现在在光频段也开展了许多左手材料研究，取得了一定的成果如：左手介 质的光子隧道效应【1 4 】，次波长f p 腔【1 5 】，反常b r e g g 光栅【l6 】，完美棱镜 1 7 】 ( 见图1 4 ) 等，但是上述的很大部分工作只进行了理论分析 由于微波频段频率领域负折射介质容易通过实验实现，加工制作相对于光 波频段的负折射介质制作也比较容易，因而对于微波频段左手介质研究及其应 用十分的活跃。g v e l e f l h e d a d c s 等人于2 0 0 3 年利用l c 网络组成传输线的方法 实现了左手介质【1 8 一1 9 】，从而进一步提高了左手介质的实用性随后，l c 网络 的负折射效应得到了实验验证，而且还利用l c 网络组成的左手介质平面传输线 实现了次波长成像实验( 见图1 5 ) 【2 0 1 。2 0 0 4 年t 1 t o h 等人利用串联电容和并 第一章绪论 联电感的方法实现左右手( r i g h t l e f t - h a n d e d ) 介质组成的复合传输线( t r a n s m i s s i o n l i n e ) ，该传输线实现了左手介质的特性。随后利用该新型的左右手复合传输线 实现了一些新型的微波器件【2 l - 2 3 】如：方向耦合器，微波天线。目前基于l c 网 络的负折射结构的研究已经在理论上和实验上得到了证明，例如验证了支持反 向波、负折射、平板结构的成像效果、以及次波长成像的性质等。这种新型左 手介质结构与s r r 结构的负折射结构相比，具有单元尺寸小，集成度高等优点。 由于左手介质的独特性能，以及l c 网络的负折射结构实现的简易性，因而利用 左手介质实现具有独特性能的微波器件，成为当前左手介质应用研究的热点。 图1 4s r r 结构的左手介质透镜 图1 5l c 网络的左手介质平面传输线实现次波长成像 第一章绪论 1 3 本论文的安捧 本研究报告主要是提出一些新型的具有左手介质特性的左右手复合结构如 ( l 网络和平面微带线结构) ，对它们进行了理论分析，并利用该新型的左手 介质结构成功设计和制作出微波陷波器、微波功分器、微波滤波器等新型左手 介质的微波器件。本研究的主要安排如下： 第一章，介绍左手介质的基本概念以及关于左手介质的国内外研究现状和 研究热点。 第二章，提出一种新型的l - c 网络的左手介质，利用该新型的l - c 网络设 计了一种新型的微波陷波器，并对其性能进行分析，与传统的微波陷波器进行 对比分析。 第三章，提出一种新型的l - c 网络左手介质结构，设计了基于该新型左手 介质结构的微波功分器，并进行了仿真、制作和测试。 第四章，分析了一种l - c 网络左手介质结构，利用该结构实现了新型微波 滤波器，最后进行t n 作与测试分析。 第五章，利用一种新型的具有左手介质性质的平面微带线结构设计新型微 波滤波器，进行仿真设计和制作、测试。 1 4 结论 由于微波频段的左手介质易于制作和实现，而且利用左手介质实现的微波 器件，它的性能是利用传统右手材料无法获得的，等效的负折射介质l c 网络电 路可以有效减少传统微波器件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能，因此关于 左手材料的微波器件的研究成为当前的研究热点。同时由于平面微带线的负折 射结构实现的简易性，对它的研究引起科研工作者的广泛关注。本论文的研究 将采用类似的l c 网络负折射结构和平面微带线结构进行实现新型微波器件的研 究，以期获得性能优良的微波器件。 6 第一章绪论 1 5 参考文献 1 1 v v e s e l a g o ，t h ee l e c t r o d y n a m i c so fs u b s t a n c e sw i t hs i m u l t a n e o u s l yn e g a t i v e v a l u e so fg a n d u ，s o v i e t p h y s u s p ，1 0 ( 4 ) ：5 0 9 5 1 4 ，1 9 6 8 2 j b p e n d r y a j h o l d e n , w j s t e w a r t , a n d1 y o u n g s , e x t r e m e l yl o wf r e q u e n c y p l a s m o n si nm e t a l l i cm e s o s t r u c t u r e s , ”p h y s r e v k n ，7 6 ( 2 5 ) ：4 7 7 3 - 4 7 7 6 ，1 9 9 6 3 j b p e n d r y ，a j h o l d e n ，d j r o b b i n s ，w j s t e w a r t , “m a g n e t i s mf r o mc o n d u c t o r s a n de n h a n c e dn o n l i n e a rp h e n o m e n a , ”i e e et r a n s m i c r o w a v et h e o r y 殆以 4 7 ( 11 ) ：2 0 7 5 - 2 0 8 4 ，1 9 9 9 4 d r s m i t h 、矾i l i ej p a d i l l a , d c v i e r , s c n n u s s e r , a n ds s e h u l t z , c o m p o s i t e m e d i u mw i t h s i m u l t a n e o u s l yn e g a t i v ep e r m e a b i l i t y a n d p e r m i t t i v i t y , ”p h y s r e v l e t t ，8 4 , 4 1 8 4 , 2 0 0 0 5 i l s h e l b y , d s m i t h , s s e h u l t z , e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fan e g a t i v ei n d e xo f 心细c l i ”s c i e n c e ，2 9 2 ( 5 5 1 4 ) ：7 7 - 7 9 ，2 0 0 1 6 a a h o u c k , j b b r o c k , i l c h u a n g e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n so f al e 俳h a n d e d m a t e r i a lt h a to b e y ss n e l l sl a w , ”p h y s r e v 厶如9 0 ：1 3 7 4 0 1 ，2 0 0 3 7 j p a c h e c o ，j r ，t m g r z e g o r c z y k , b l w u , y z h a n g , a n dj a k o n g , “p o w e r p r o p a g a t i o ni nh o m o g e n e o u si s o t r o p i cf r e q u e n c y - d i s p e r s i v el e f t - h a n d e dm e d i a , ” p h y s 冠ml e t t ，8 9 ：2 5 7 4 0 1 ，2 0 0 2 8 s t c h u i l b h u , t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no nt h ep o s s i b i l i t yo fp r e p a r i n g l e f t - h a n d e dm a t e r i a l si nm e t a l l i cm a g n e t i cg r a n u l a rc o m p o s i t e s , p h y s r e l b 6 5 ：1 4 4 4 0 7 2 0 0 2 9 c rs i m o v s k i , s h e ，“f r e q u e n c yr a n g ea n de x p l i c i te x p r e s s i o n sf o rn 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 yf o ra ni s o a o p i cm e d i u mf o r m e db yal a r i c eo f p e r f e c t l yc o n d u c t i n gqp a r t i c l e s ，”p h y s l e t t a ，3 11 ：2 5 4 - 2 6 3 ，2 0 0 3 l o h s c h e n , l x r a n ，j t h u a n g f u , x m z h a n g , a n dk s c h e r t ，“l e r h a n d e d m a t e r i a l sc o m p o s e do fo n l ys - s h a p e dr e s o n a t o r s , ”p h y s r e v e7 0 ：0 5 7 6 0 5 ， 2 0 0 4 1 1 j b p e n d r y , ac h i m lr o u t e t on e g a t i v e r e f r a c t i o n ，”s c i e n c e ，3 0 6 ( 5 7 0 0 ) ： 1 3 5 3 - 1 3 5 5 ，2 0 0 4 1 2 h s c h e r t , l x r a n , j t h u a n g f u x m z h a n g , a n dk s c h e n , n e g a t i v e r e f r a c t i o no fac o m b i n e dd o u b l es - s h a p e dm e t a m a t e r i a l ，”a p p l p h y s l e t t ，8 6 ： 1 5 1 9 0 9 ，2 0 0 5 1 3 t h en e w sa n de d i t o r i a ls t a f f s ， b r e a k t h r o u g ho ft h ey e a r ：8a b o u t - f a c e , 7 第一章绪论 s c e n c e , 3 0 2 ( 5 6 5 3 ) ：2 0 3 9 - 2 0 4 5 ，2 0 0 3 1 4 z m z h a n g , c j f u , u n u s u a lp h o t o nt u n n e l i n gi nt h ep r e s e n c eo fl a y e rw i t ha n e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e x , ”a p p l p h y s l e f t ，8 0 ，1 0 9 7 , 2 0 0 2 1 5 n e n g h e t a , “a ni d e af o rt h i ns u b w a v e l e n g t hc a v i t yr e s o n a t o r su s i n g m e t a m a t e r i a l sw i t hn e g a t i v ep e r m i t t i v i t ya n dp e r m e a b i l i t y ，”i e e ea n t e n n a s w i r e l e s sp r o p a g a t l e t t ，l ( 1 ) ：1 0 - 1 3 ，2 0 0 2 1 6 j g e r a r d i n , a l a k h t a k i a , n e g a t i v ei n d e xo fr e f r a c t i o na n dd i s t r i b u t e db r a g g e r r e f l e c t o r s , ”m i c r o w a v ea n d o p t i c a lt e c h n 0 1 l e t t ，3 4 ，4 0 9 ，2 0 0 2 1 7 j b p e n d r y , n e g a t i v er e f r a c t i o nm a k e sap e r f e c tl e n s ，”p h y s r e v l e a , 8 5 0 8 ) ， 3 9 6 6 - 3 9 6 9 , 2 0 0 0 1 8 a g r b i c , g v e l e f i h e r i a d e s , p e r i o d i ca n a l y s i so f a2 - dn e g a t i v er e f r a c t i v ei n d e x t r a n s m i s s i o nl i n es t r u c t u r e ，”i e e et r a n s i o na n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o n , 5 1 ( 1 0 ) ： 2 6 0 4 2 6 1 1 2 0 0 3 1 9 g v e l e f i h e r i a d e s ，o s i d d i q u i ，a k i y e r , t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l sf o rn e g a t i v e r e f r a c t i v ei n d e xm e d i aa n da s s o c i a t e d i m p l e m e n t a t i o n s w i t h o u te x c e s s r e s o n a t o r s ，”i e e e m i c r o w a v ew i r e l e s sc o m p o r tl e f t ，1 3 ( 2 ) ：5 1 - 5 3 ，2 0 0 3 2 0 a g r b i c ，g v e l e f i h e d a d e s , o v e r c o m i n gt h ed i f f r a c t i o nl i m i tw i t hap l a n a r l e f t - h a n d e dt r a n s m i s s i o n - l i n el e n s , p y h s r e v l e t t , 9 2 ，l1 7 4 0 3 ，2 0 | 0 4 2 1 c c a l o z , a s a n a d a , t i t o h an o v e lc o m p o s i t er i g h t l e f t h a n d e ac o u p l e d - l i n e d i r e c t i o n a lc o u p l e rw i t ha r b i t r a r yc o u p l i n gl e v e la n db r o a db a n d w i d t h , ”i e e e t r a n s m i c r o w a v et h e o r y 死以，5 2 ( 3 ) ：9 8 0 - 9 9 2 ，2 0 0 4 2 2 ll i l lm d e v i n c e n t i s , c c a l o z , t 1 t o h , a r b i t r a r yd u a l - b a n dc o m p o n e n t su s i n g c o m p o s i t er i g h t l e r - h a n d e dt r a n s m i s s i o nl i n e s , ”i e e et r a n s m i c r o w a v et h e o r y t e c h ，5 2 ( 4 ) ：1 1 4 2 一l1 4 9 2 0 0 4 2 3 2 3 a l a i ，c c a l o z , t i t o h ，c o m p o s i t er i g h t l e r - h a n d e d t r a n s m i s s i o nl i n e m e t a m a t e r i a l s , ”i e e em a c r o w a v em a g a z i n e ，9 ：3 4 - 5 0 ，2 0 0 4 8 第二章左手介质的微波陷波器 2 1 引言 第二章左手介质的微波陷波器 微波陷波器是一种重要的去噪声器件，它广泛应用于有线电视、无线通信、 卫星通信、雷达系统以及军事对抗中。由于各种技术条件和传统介质的限制， 已设计制作的微波陷波器在通带范围内有着大的损耗，很窄的带宽，阻带边缘 的缓慢过渡等局限性 1 - 2 。针对已有微波陷波器存在的缺陷，各种各样的改进 设计方案被提出最近提出的应用于微波陷波器的设计方案【3 6 】如：三角谐振 器式、电容电感式、微带线式，但是所有设计的这些微波陷波器性能依然欠佳， 陷波深度不够大，阻带边缘的过渡很差。无法完全克服传统介质设计微波陷波 器存在的必然缺陷，因此有必要设计一种新型的微波陷波器，提高器件的整体 性能，以适应当前卫星通信和微波通信系统发展的需要。 在本研究中，提出一种新型的左右手复合结构，并利用该结构设计制作一 种新型的基于复合左右手传输线( c r l h ) 的微波陷波器。充分利用复合左右手传 输线色散的自然禁带来限制波的传输特性来设计微波陷波器。通过仿真分析， 结果表明该器件具有大的阻带，阻带的边缘十分的陡，而且在阻带的外部几乎 没有损耗等特点。同时该新型微波陷波器具有体积小、损耗低、匹配简单、便 于制作等优点。 2 2 左手介质微波陷波器设计 传统l - c i 网络的复合左右手( c r l h ) 传输线单元结构如图1 ( a ) 所示 7 - 1 l 】。 在本论文研究中，我们提出一种新型的复合左右手( c r l h ) 传输线单元结构如图 1 ( b ) 所示利用该新型l - c 网络结构单元设计了一种新型的微波陷波器，并对 其性能进行了分析，同时还与利用传统l c n 络的复合左右手( c r l h ) 传输线单元 结构设计的微波陷波器进行了对比。为了与现有的同轴线标准阻抗匹配，在我 们的设计过程中微波源和负载的阻抗均设为5 0 1 1 。 9 第二章左手介质的微波陷波器 图l 传输线单元( a ) 传统c r l h 传输线，( ”提出的新型c r l h 传输线 对于如图1 所示新型的复合左右手( c r l 田传输线单元，其传播常数可由 下式进行计算分析 ，= 岱+ 妒= 历? ( 1 ) 式中z 为单位长度阻抗，y 为单位长度导纳，均可由下式计算 对于无限尺度的利用图1 ( b ) 的复合左右手( c r l h ) 传输线单元组成的结构， 其色散关系可由下式近似分析 触圳删再焉飘 式中 文妫=州咖刊怯，剥 t 矿= m a 】( 壶