开口谐振环磁响应分析.doc

学习资料收集于网络，仅供参考 毕业设计（论文）题目： 开口谐振环磁响应分析 系 别 信息工程系专业名称 通信工程班级学号 088204124学生姓名 OOO111指导教师 YKK二O 一二 年 六 月 开口谐振环磁响应分析姓名： 班级：088204224 指导老师：摘要：开口谐振单环(Split Single Ring Resonators ，简记SSRRs)和开口谐振环(SRRs)一样可以激励磁谐振，从而实现负的磁导率。提出在SSRRs 结构中引入平行于其开口边的金属线的方法设计了新的磁谐振单元，研究了金属线的引入对谐振频率以及负磁导率特性的影响。数值模拟结果表明：随着金属线长度l 的增加，SSRRs 的谐振频率随之减小；随着金属线与开口边的间距d 的增加，SSRRs 的谐振频率随之增加。金属线的加入不会对SSRRs 的负磁导率特性产生重要影响，改变金属线的结构参数可以实现 0频段的调控。所提出的新的磁谐振单元对于新型负磁导率材料和新型左手材料的设计具有重要的实际意义，也为新型无线通信材料的实现提供了可能近几年来，负折射率材料由于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景而获得了国际学术界的广泛关注，并已成为当前国际电磁学界和光电子学界非常前沿和热门的研究领域之一。异向介质是本世纪初物理学和电磁学的重要发现，它是等效介电常数和等效磁导率同时为负数的人造介质。异向介质的研究突破了传统电磁场理论中的一些重要概念，它的深入研究成果将在许多领域有重大的应用。异向介质的研究是物理学和电磁学最前沿的课题之一。本文 设计制作了金属谐振环的组合结构，研究了电磁波在这种结构中的传输特性特。并在一定的频率范围内，介质的等效介电常数和等效磁导率同时为负数。【关键词开口谐振环 开口谐振单环 负磁导率 负介电常数 指导老师签名：学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本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和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：Ring resonators magnetic response analysisStudent name：li dapeng Class: 088204124Supervisor: Xu XinheAbstract: Both the Split Single Ring Resonators (SSRRs) and Split Ring Resonators (SRRs) can be used asa negative permeability medium near its magnetic resonance frequency. A new design for magnetic resonancestructures has been proposed by introducing a metal wire into the common SSRRs. The effects of metal wire on thetransmission characteristics of SSRRs are numerically investigated. The results show that the resonance frequencyof SSRRs decreases with the length of metal wire. The metal wire has no significant influence on the negativepermeability of SSRRs. It is also proved that negative permeability could be tuned by controlling the distancebetween the metal wire and SSRRs. The new magnetic resonance structures proposed in this paper are of great practicalvalues in designing new kinds of negative permeability materials and left-handed materials and make the new wireless communication materials practicable.In recent year，negative-refractive-index metamaterials (NIMs) have received muchattention by the internationalworld due to their unique properties and alluring applications, which is one of the front and hot focuses both for electromagnetic and optical- research. Composite meta-material，which has both negative permeability and permittivity simultaneously within some frequency ranges，is a great discovery on Physics and Electromagnetism in this century. There have been breakthroughs in classical electromagnetic concepts through the study of the meta-material. The in-depth research results can be applied to many fields in the future. Composite meta-material is one of the frontiers of Physics and Electromagnetism in the past few years. Keyword：Split Ring Resonators Single Split Ring Resonators negative permeability negative permittivitySignature of Supervisor:目录第一章 绪论11.1选题背景及意义11.2 国内外研究概况及发展趋势11.3 本课题研究目标及主要内容21.4 本章小结3第二章 高频仿真软件的分析42.1 仿真软件的选择42.2 HFSS仿真软件的应用52.3 本章小结6第三章 开口谐振环电磁特性基本原理73.1 平面电磁波在常规介质中的传播73.2 电磁波在异向介质中的传播7第四章 矩形波导场分布的HFSS实现94.1 建立矩形波导的模型94.11 运行HFSS并新建工程94.12 创建空气盒子134.13 设置求解频率174.2 运行184.3 本章小结23第五章 matlab仿真结果及其分析255.1 matlab软件的简单介绍255.2 matlab仿真程序255.3 matla仿真结果26第六章 小结与展望286.1 工作总结286.2 工作展望28参考文献29致 谢30第一章 绪论1.1选题背景及意义根据经典电磁场理论，电磁波在媒质中的传播特点主要有媒质的介电常数和磁导率所决定。因为电磁波在无源区域传播时，电场强度和磁场强度必须满足波动方程。因此，研究电磁波的传播规律其实就是研究媒质的介电常数和磁导率这两个参数时间，空间及频率的变化规律。自然界的大多数物质的介电常数和磁导率都为正数，当然也有一些物质的介电常数和磁导率为负数，如等离子体，当入射电磁波的频率低于等离子体的频率时，等离子体的等效介电常数为负数。自然界物质之中还没有发现介电常数和磁导率同时为负数的媒质，近几年出现了一种用金属丝和金属谐振环组合而成的人造媒介，其等效介电常数和等效磁导率在一定的频率范围内同时为负数。 介电常数和磁导率是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量.对于一般电介质而言，介电常数和磁导率都是非负的常数.由麦克斯韦方程可知，在和都为i1:值的物质中，电场、磁场和波矢二者构成右手关系，我们称这样的物质为右手性介质(night-handed materials, RHM ) . 1968年，前苏联物理学家vesel雌。iV eselago在理论上研究了介电常数和磁导率都为负值的物质的电磁学性质，他发现与常规材料(RH M)不同的是:当和都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系，他称这种假想的物质为左手性介质(left-handed martenials, LHM).他还指出，左手性介质中电磁波的行为与在右手性介质中有很大的不同，比如光的负折射，负的切连科夫效应，反多普勒效应等等.尽竹左手性介质有很多新奇的性质，但自然界中并不存在实际的左手性物质，因此他的研究只是停留在理论上，并目在随后的30年单没有得到太大的重视.直到1999年，由于Penclry z等人预言利用某种特定的人造复合材料可以制作出在某一频率区间满足p0的物质，而目将这种材料与介电常数 0的物质(比如金属线阵列)组合起来就能够制造出左手性材料3al，因此人们才对这种材料投入了更多的兴趣. 2001年，加州大学San Diego ( University of Cali-forma at San Diego, U CSD)分校的Smithy等物理学家根据Penclrv等人的建议，利用以铜为卞的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质L”一川，证明了左手性介质的存在.本文就电磁波在这种媒质中的传播特点进行深入的理论分析，并讨论这种媒质与常规媒质的分界面对电磁波传播的影响。1.2 国内外研究概况及发展趋势 1968年, 前苏联物理学家Veselago 指出, 当某种介质的介电常数和磁导率同时为负值时, 仍然满足麦克斯韦方程组, 将显现出一系列反常的电磁特性1, 其中包括后向波特性(相速与群方向相反),负折射效应(介质的折射系数为负)、逆多普勒效应及逆契伦科夫效应。然而, 由自然界并没有发现这种物质, 其研究一直处于停滞不前的状态, 直到Pendry 分别于1996 年和1997 年指出: 一定条件下均匀排布的细金属线可以表现负的介电常数2以及裂环谐振子结构(SRR)可产生负的磁导率3, 异向介质的研究才引起人们的注意。2000 Smith 基于Pendry的研究结果, 通过将细导线阵列与SRRs(split rings resonators)阵列合理布局, 制造出了第一块人工异向介质4, 从此异向介质的研究才进入了实质性阶段。然而上述的异向介质存在着结构复杂、带宽窄、损耗大以及体积大等一系列问题, 使其受到很大制约。针对这样的问题, 许多学者在新型异向介质设计方面展开研究。目前, 已有多种结构的异向介质被设计、制造出来, 主要可以分为两大类: 传输线型及粒子型, 其中包括Smith 等最先提出的SRR 结构和交指电容式传输线型5等。上述异向介质在性能上都有各自的优点, 某些异向介质的部分电磁性能甚至已经非常完善, 然而, 这里仍然存在一些问题: 对异向介质设计而言, 不但要求频带宽、损耗小, 还要求其结构要简单便于制造、单元体积要小, 而现有的异向介质几乎都无法同时满足这些要求。现有的异向介质单元电尺寸在0.120.16 波长之间, 均超过了有效媒质理论0.1 波长的要求, 由其构成的异向介质将面临一系列问题, 如各向异性、折射性能下降等6, 同时还不便于将其作为填充或涂敷材料应用7。2010年，龚建强等人提出了一种基于TE10矩形波导的异向介质有效本构参数提取算法，随着元胞数目的增加，异向介质结构中趋于单模传输，使得提取出的本构参数也趋于稳定和收敛。2010年，Smith引入了Bloch (布洛克)介电常数和Bloch磁导率的概念，分析异向介质的电谐振和磁谐振之间的耦合情 1.3 本课题研究目标及主要内容1、研究目标该课题是在HFSS的平台上实现波导的设计与仿真，通过在HFSS平台上对波导的长度、主模工作频率等的设置来设计出要求所需的波导。并在HFSS平台上进行仿真，然后导出数据，通过Matlab软件在进行仿真，仿真出介电常数和磁导率的图形。 2、主要内容磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 ，式中是比例系数，称为介电率或介电常数。另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有，式中比例系数称为导磁率。和被看成表征物质电磁性质的宏观参数。在一般条件下有。故有，这里的负号不能随便丢掉在某种材料同时具有0，0时，上式右端可能应取负值接近透明媒质的折射率函数n(w)的实部通常是正值。DRSmith和NKroll分析了电流源向一维左手化媒质(LHM)辐射的情况(该媒质的介电常数和导磁率均为负)，对n(w)函数的深入分析，证明在某个频区Ren(w)实际上必须为负值。本设计应用所学的电磁场知识，以HFSS12软件建立等效电路模型，该模型是用一个二维线阵产生负介电常数(0），用另一个SRR产生负磁导率(0, 0，这是常规介质;在第二象限中0，电磁波在其中无法传播，为消逝波，电等离子体中频率小于等离子体频率时就属于这种情况在第三象限中，0, 0，亥姆霍尔兹方程有波动解存在。此时电磁波的传播规律与第一象限的常规介质中的是否相同呢?本文下面将对这个问题进行详细的分析;在第四象限中，0, , selectfaces,将鼠标设置为选择面的状态（2）将这四个纵向面设置为理想导体边界。可以通过点击HFSSBoundariesAssign Perfect E实现，或者点击鼠标右键Assign Boundary Perfect E（如图4.14所示）图4.14设置Perfect H边界条件图4.15设置Perfect E边界条件3、设置激励源wave port端口解算器假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料。每一个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦。波端口计算特性阻抗、复传播常数和S参数。在波导中行波的场模式可以通过求解Maxwell方程获得。下面的由Maxwell方程推出的方程使用两维解算器求解。 式中，是电场矢量；是自由空间波数，；是复数相对磁导率；是复数相对介电常数。HFSS求解该方程后，可以得到激励场模式的解；这些矢量独立于z和t，在这些矢量节后面乘上因子后就变成了行波。另外，我们注意到激励场模式的计算只能在一个频率。在每一个感兴趣的频率，计算出的激励场模式可能会不一样。（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）。（2）点击HFSSExcitationsAssignWave port，或者点击鼠标右键assign excitationwave port（如图4.16所示）。（3）另外一个端口面执行同样的操作。图4.16分别设置激励源wave port4.13 设置求解频率求解设置的时候需要对求解频率（Solution Frequency）,最大迭代次数（Maximum Number of Passes）等参数进行设置。HFSS软件采用自适应网格剖分技术，根据用户设置的误差标准，自动生成精确 、有效的网格，来完成分析对象的离散化。自适应网格剖分的原理是：在分析对象内部搜索误差最大的区域并在该区域进行网格的细化，每次网格细化过程中网格增加的百分比由用户事先设置。完成一次网格细化过程后，软件重新计算并搜索误差的最大的区域，判断该区域误差是否满足设置的收敛条件。如果满足收敛条件，则网格剖分完成；如果不满足收敛条件，继续下一次网格细化过程，直到满足收敛条件或者达到设置的最大迭代次数为止。自适应网格剖分时，每一次网格细化的迭代过程在HFSS中称为一个“Pass”。设置的步骤如下：（1）在菜单栏中点击HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup（2）在求解设置窗口中，设置Solution Frequency：12Ghz，最多为15 Ghz，步长设为0.02，频率范围为914 Ghz，其它设为默认值图4.174.2 运行HFSS软件的仿真原理总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S矩阵，具体步骤如下：(1)将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）(2)在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式(3)假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式(4)由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵从主选菜单选择HFSS-Validation Check,或者单机工具栏的 运行后如图4.18所示 图4.18 设计检查装口 4.18 HFSS软件求解流程图在HFSS的设计流程中，当用户完成了创建物体模型结构，分配边界条件和激励方式以及添加分析设置这几大步骤后，接下来就可以运行仿真分析，对当前设计进行仿真求解了。在运行仿真分析操作之前，用户通常还需要进行设计检查，以检查设计的完整性以及设计中是否存在错误。设计检查：从主选菜单选择HFSS-Validation Check,或者单机工具栏的 运行后如图4.19所示 图4.19 设计检查装口“设计检查”对话框中，表示该步骤完整且正确。根据图4.19给予的信息，证明设计正确，可以进行仿真。再从主选菜单栏中选则HFSS-Analyze All或者单击工具栏中的得到可进行求解。如图4.20 即成功运行。4.20 正在仿真图形运行仿真的结果图为：4.21 S(2,1)dB图形4.22 S(1,1)dB图形4.23 S(1,2)dB图形4.24 S(1,1)dB图形图4.25为生成的数据数据的导出：图4.26为数据的导出4.3 本章小结本章主要以图形为主，分步介绍了在HFSS软件的操作流程，并利用HFSS对波导的电磁场分布进行了仿真。仿真之后我们可以导出多行五列的矩阵数据，为下一步把数据切入到matlab里面做准备。第五章 matlab仿真结果及其分析5.1 matlab软件的简单介绍 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。5.2 matlab仿真程序% f=ELC(:,1);% S111=ELC(:,2).*exp(i*ELC(:,3);% S211=ELC(:,4).*exp(i*ELC(:,5); f=ESRR(:,1);S11=ESRR(:,2).*exp(i*ESRR(:,3);S21=ESRR(:,4).*exp(i*ESRR(:,5); d=3*10-3;% d=3*10-3;eps0=8.854*10-12;mu0=4*pi*10-7;kd=2*pi*f*109*sqrt(eps0*mu0)*d; n1=acos(1-S11.2+S21.2)./(2*S21)./kd; for m=1:length(f) % if imag(n1(m)0 (1)eps0, mu0;(2)eps0 if imag(n1(m)0; % if imag(n1(m)0, mu0;(4)eps0,mu0 n1(m)=-n1(m); end end% n1; % plot(f,n);% hold on % plot(f,-imag(n),r) z1=sqrt(1+S11).2-S21.2)./(1-S11).2-S21.2); for m=1:length(f) if real(z1(m)0 z1(m)=-z1(m); endend % % % epseff1=n1./z1;% plot(f,real(epseff1);% hold on ;% plot(f,-imag(epseff1),r) mueff1=n1.*z1;plot(f,real(mueff1)hold onplot(f,-imag(mueff1),r)5.3 matla仿真结果输完程序之后，将在HFSS导出的数据导入到matla中，点击运行有如下图形。图一 Mueff的实部和虚部 红线是虚部，蓝线是实部图二 Epseff的实部和虚部 红线是虚部，蓝线是实部第六章 小结与展望6.1 工作总结微波器件，如波导、谐振器、天线等，由于工作频率较高，其场分布需要专门的仿真软件进行分析。因为各种电磁场与波现象都具有复杂的空间分布，而我们对电磁场与波只能进行抽象的想象或通过仪器进行数据测量，这给实践中对电磁问题及实验现象的理解都带来了一定的困难，为了更好地了解微波器件的内部场分布，有助于设计人员有针对性地设计器件的激励与耦合方式，或进行器件的改进与优化，就必须使用一款软件对微波器件的内部场分布进行仿真，使微波器件的场分布能够更加直观，准确地呈现在设计人员的面前，而不再需要设计人员去抽象得想象期间的场分布，大大地减轻了设计人员的难度。本次的毕业设计名为开口谐振环磁响应分析，设计中选取了矩形波导，空气盒子等几个模型，并对它们进行了理论分析，重点分析了他们的电磁场分布和尺寸的选择。因为各种电磁场与波现象都具有复杂的空间分布，而我们对电磁场与波只能进行抽象的想象或通过仪器进行数据测量，这给实践中对电磁问题及实验现象的理解都带来了一定的困难，为了更好地了解微波器件的内部场分布，本毕设通过比较选择，选取了HFSS作为本次毕设的设计软件，对矩形波导模型进行了仿真，将器件的场分布的显示出来，并对场分布进行了分析。6.2 工作展望这次的毕业设计遇到了不少的困难，由于对于电磁场与波方面内容不是很了解，理论上手不易，对于HFSS这么一个仿真软件也是很陌生，以前没有听说过。不过经过了一些的资料的学习，关键是导师及其前辈的指导，渐渐的有了一定的了解。在做毕业设计中有很多参数的设置都不太了解，查了不少资料跟学姐进行探讨才能够完成本设计，我觉得很有必要性，由于时间的问题这里只选取了几个基本的模型进行了分析，接下去需要我们近一步去学习，去探索，去做一些比较复杂的模型的场分布问题。参考文献1.王国伟，杨能彪，刘浩. 基于Mathematic 的圆形波导电磁场的可视化J. 微电子学与计算机，2006，23(11): 51-532.郑伟，王永龙. 半圆形波导中的电磁场J. 大学物理，2007，26(9): 60-633.王永龙，夏昌龙，刘朋. 基于MATLAB 编程给出圆形波导中能流密度分布图仿真J. 临沂师范学院学报, 2008,30(3): 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