基于电磁超材料的微波天线的研究

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1、基于电磁超材料的微波天线的研究第一章绪论1.1选题背景及意义在电磁学中，介电常数和磁导率是用来描述媒质的两个基本物理量，通常和均为正数。由麦克斯韦方程组可知，电场矢量E、磁场矢量H和波矢量k遵循右手螺旋定则，因此将这样的媒质称为右手媒质。1968年，前苏联理论物理学家Veselego提出了这样一种猜想：当和均为负数时，电场矢量E、磁场矢量H和波矢量k三者满足左手螺旋关系，这与电磁学中的右手螺旋定则相背，因此被称为左手材料[1]。左手材料作为超材料的重要组成部分之一，因其传播电磁波的相速度与群速度反相，表

2、现出一系列反常的电磁特性，如倏逝波放大、逆Doppler效应[2]、逆Cherenkov辐射[3]、负折射效应[4]、完美透镜效应[5]等。基于以上特性，左手材料被广泛地应用于各类微波器件和天线设计中。所有的天线电子设备（包括无线电通信、广播、雷达、导航和其它系统）都是利用电磁波的发射和接收来进行工作的，天线作为其发射和接收的部件对于通讯设备起着举足轻重的作用。天线作为电磁波的发射部件时，可以将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作为接收部件时，

3、则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。为了适应当今社会通信系统日新月异的发展，天线的设计要同时兼顾多种性能指标，如小型化、高增益、多频段、共口径、宽频带、宽波瓣、高隔离度等。现有的天线设计已经无法满足现代通讯发展的要求，必须牺牲某一性能指标来换取其它指标，因此很多学者将目光瞄准了超材料天线设计。2002年，T.Itoh等人首次提出用传输线结构来实现左手材料，并将其称为复合左右手(CRLH-TLs,positeRight/LeftHandedTransmis

4、sionLine)[6]传输线。它与最初的左手材料使用SSR和Rod结构相比，具有插损低、带宽宽且易于与微带线集成和加工的特性，可以极大地减小天线尺寸、增加谐振频率、改善天线辐射特性，对于通信系统和武器装备的发展将会起到巨大的推动作用。1.2超材料的发展现状近年来，超材料虽然已经在光学频段实现，但是现有的设计理论和方法存在许多尚未解决的问题，其中最突出的莫过于实验和仿真表明损耗随着频率升高而增大。左手材料中的损耗通常由金属损耗产生，故减少损耗的一种方法是采用好的导体如银。银由于低的阻尼频率导致其在光学频

5、段的损耗最低，如采用银代替典型结构中的金，损耗将有所降低。另外，损耗也与等效电感L和等效电容C有关，如果增大L/C值损耗将降低，而Re(n)/Im(m)将增大。因此，损耗问题成为限制左手材料潜在应用的重要原因，左手材料等超材料只有向低损耗方向发展才有可能在实际中得到广泛的应用[13]。目前，有关左手材料和复合左右手传输线的实验大多是在微波波段进行的。随着复合左右手传输线研究的不断深入，其工作频段日益朝太赫兹频段、红外频段、甚至光频段发展，结构尺寸日益朝小型化发展[14]。2005年，H.O.Moser等

6、人将二维镍金SRR结构嵌入到AZP4620阵列中，构造出了一种太赫兹谐振型电磁超介质，在频率范围1THz~2.7THz内呈现电磁效应[15]；Linden等人进一步在100THz实现了SRR结构左手材料[16]；C.Enkrich等人提出了一种200THz的左手材料[17]。阻抗匹配和吸收损耗问题是高频段特别是光学频段的左手材料和复合左右手传输线研究的难点。第二章CRLH传输线基本理论及参数提取2.1理想CRLH传输线特性分析这里理想传输线是指无耗均匀传输线，所谓均匀是指沿着波传输方向传输线的横截面保持

7、不变。现实中不存在均匀的CRLH传输线，都是由LC网络周期级联构成，当其单元长度远小于波长时，可以在一段频率范围内很好的模拟均匀传输线，所以称之为等效均匀传输线。尽管均匀左手传输线和CRLH传输线在现实中并不存在，但可以从其分析中得到一些CRLH传输线的基本特性。取一段长度为z(z0)的理想传输线，其等效电路模型如上图2-1。图中右手电路成分'RL和'RC分别为单位长度串联电感和单位长度并联电容，左手电路成分'LL和'LC分别为单位长度并联电感和单位长度串联电容。如果&#

8、39;LL和'LC为零，那么其电路模型即简化为纯右手传输线模型；如果'RL和'RC为零，其电路模型即简化为纯左手传输线模型；如果'RL、'LL、'RC、'LC都不为零，此时其模型便是CRLH传输线模型。因为实际中左手传输线都是在右手传输线基础上实现的，所以实际中左手传输线中必然寄生着右手成分，因此CRLH传输线模型是最具广泛意义的等效电路模型。2.2理想CRLH传输线的平衡性分析由之前