左手材料理论ppt课件.ppt

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1、人工电磁材料在微波器件中的应用杨宏春2012年05月1实验目的2实验原理3实验样品设计4实验设计作业5实验测试6实验报告(设计报告)讲授内容实验目的与实验原理(1)了解人工电磁材料的基本工作原理及其应用现状(2)利用人工电磁材料设计微波器件(时域、频域)(3)掌握微波器件主要参数的实验测试方法1实验目的2实验原理2.1人工电磁材料的基本概念通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具备的特殊电磁性质的复合结构或复合材料(1)人工电磁材料的基本概念2.1人工电磁超材料概述(2)典型特征材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值材料参数

2、及其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求(3)典型人工电磁材料(a)光子晶体(PhotonicBandGap，PBG)光子晶体模型的典型结构UC-EBG结构(b)EBG带隙材料(ElectromagneticBandGap，EBG)基底周期空洞高阻抗表面结构(c)吸波材料或特殊r、材料RH2100铁氧体2.1人工电磁超材料概述负r、正材料(EpsilonNegativeMaterial，ENG)正r、负磁导率(MagneticNegativeMedia，MNG)左手材料(DoubleNegativeMaterial，DNG)(d)

3、ENG、MNG、DNG材料Rod周期结构的ENG材料SRR周期结构的MNG材料Rod、SRR结构DNG材料2.1人工电磁超材料概述2.1人工电磁超材料概述(4)人工电磁材料的主要应用微波器件小型化、定向天线微波吸收电磁(光)隔离或导通表面波抑制隐身、负折射(a)应用领域传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统(b)实现功能2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料的基本工作原理(1)周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子体谐振，理想情况下周

4、期性金属棒的介电常数可被表为其中，等离子体频率p为(1-1)(1-2)考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料其中，表示电子与中性粒子的散射频率金属杆电流在空间R处产生的磁场强度为(1-3)(1-4)(1-5)其中，v为电子的平均速度2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料用矢量位A表示磁场强度，则其中电子在电场中所受冲量为eA，单位长度细金属棒动量改变量其中，电子有效质量meff为(1-6)(1-7)(1-8)(1-9)将式1-4、式1-9

5、代入式1-22.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料(1-10)将式1-10代入式1-3，并同时代入因子的表达式(1-11)当<p时，eff实部为负，即为ENG材料2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料(2)周期排列SRR形成MNG材料的基本原理对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为(1-12)H0为外加平行于导体的磁场设柱体内感应电流为j，则柱体内磁场强度为(1-13)环绕金属柱体的总电动势为2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料当电动势平衡时，感应电流j可以表示为(1-14)(1-15)导体外平均磁场强度为(1-16)2

6、.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料比较式1-12、式1-16无限长周期排列金属棒可以降低磁导率对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为(1-17)(1-18)(1-19)周期排列的开口环的等效磁导率2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料(1-20)对平面排列的SRR结构，考虑到双环之间的电容(1-21)(1-22)2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料(3)复合传输线形成LHM材料的基本原理左手、复合左右手传输线等效电路右手传输线等效电路右手传输线的电压电流方程可以表示为A右手传输线的电磁参数由麦克斯韦方程组可得均匀物质

7、中时谐电磁波的解为(1-23)(1-24)对比式1-23与式1-242.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料(1-25)对左手传输线，其等效介电常数和等效磁导率表达式为(1-26)左手传输线构成了LHM材料B左手传输线的电磁参数C左右手传输线的电磁参数2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料由传输线定理，传播常数CRLH传输线的Z、Y分别为(1-27)(1-28)传输线的特性阻抗为2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料(1-29)其中(1-30)传输线的传播常数为(1-31)2.2ENG、MN

8、G、DNG人工电磁材料其中讨论当s()=-1时相位因子为负值，相速与群速平行反向，表现为左手材料的传播特征当s()=1时相位因子为正值，相速与群速平行同向，表现为右手材料