左手媒质微波空间滤波器特性和设计

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1、第34卷第1期电子科技大学学报Vol.34No.12005年2月JournalofUESTofChinaFeb.2005左手媒质微波空间滤波器特性和设计高正平，刘雪晴，范宇(电子科技大学微电子与固体电子学院成都610054)【摘要】首次提出一个用左手媒质设计的微波空间滤波器。左手媒质是一种人造媒质，在某一微波波段内其介电常数和磁导率同时为负值。利用左手媒质的特殊性提出了一个设计空间带通滤波器的方法，并给出一种频率为9.9～10.1GHz的带通滤波器设计。该滤波器具有用通常材料无法达到的优异的特性。关键词左手媒质;有效介电常数;有效磁导率;负折

2、射指数;带通滤波器中图分类号TN011文献标识码ACharacteristicsofOpen-TypeLHMMicrowaveFilterandItsDesignGAOZheng-ping，LIUXue-qing，FANYu(SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UESTofChinaChengdu610054)AbstractInthispaperwefirstpresentanopen-typemicrowavefilterbyusinglefthandedmedium(LHM

3、).LHMisanartifialmaterialwithpremittivityandpermcabilitybothnegativewithincertainmicrowavefrequencyband.ByutilizingthespecialcharacteristicsofLHM，wesummarizeamethodofdesignamicrowaveband–passfilterandgiveadesignexampleof9.90-10.1GHzband-passfilter，thisfilterhasexcellentchar

4、acteristicsmuchbetterthantheordinarymaterialcanachieved.Keywordsleft-handedmedium;effectivepermittivity;effectivepermeabilitynegative;refractiveindex;band-passfilter[1~5]左手媒质是2000年出现的一种人造媒质，它具有许多完全不同于普通媒质的特殊性质，可以实现普通媒质不能实现的某些性能。它一出现立即引起物理学家和工程师的极大兴趣，其中微波透镜是最关心的课题之一，因为其分辨率远超

5、过目前应用的光学透镜，被称为完全透镜而受到科学界广泛重视。但是左手媒质对电磁波传输的其他许多特殊的效应还未得到深入地研究，本文提出了用左手媒质设计的微波空间滤波器。1左手媒质左手媒质是指其介电常数ε和磁导率μ同时为负的媒质，由Maxwell方程可得出，电磁波在其中传播时，电场强度E、磁场强度H和波矢q之间存在左手螺旋关系，故称为左手媒质(LeftHandedMedia，LHM)或双负媒质(DoubleNegativeMedia，DNM)。图1示出其电磁波矢与普通媒质(也称右手媒质)的根本区别。自然界并不存在ε和μ同时为负的媒质。金属在光频下为

6、金属等离子体，当频率ω小于等离子体频率ω时，p[1]其有效介电常数ε<0。当ω<ω时，Pendry用金属细线结构实现了等离子体ε<0的媒质；1999年effpeffPendry提出用开口金属环谐振器SRR在微波频段制造类似等离子体的磁性媒质(磁等离子体)。图2是SRR示意[3,4]图，图3是细线结构和SRR的εeff随ω和μeff随ω的变化曲线。εeff和μeff可以表示为：收稿日期：2004−09−15作者简介：高正平(1955−)，男，硕士，教授，主要从事电磁场与材料相互作用机理方面的研究.70电子科技大学学报第34卷EEdcqkrOOH

7、H(a)普通媒质中的平面波矢(b)左手媒质中的平面波矢图1媒质的平面波矢图2开口环谐振器SRR2ωpε=1−(1)effω(ω−jy)2Fωrμ=−1(2)eff22ω−−ωωjΓr式中γ、Γ分别为电损耗和磁损耗的因子，F为与开口环的尺寸有关的常数，ω为SRR的谐振频率。在忽r略损耗的理想情况下式(1)和式(2)变为：2ωpε=1−(3)2ω2Fω0μ=1−(4)eff22ω−ωr式中当ω<ωp时，εeff为负值，当ω>ωp时，εeff为正值；当ω<ωr时，μeff为正值，当ω=ωr时，μeff→∞，2Fω02ω称为谐振频率，当ω>ω时，μ为

8、负值；当ω=ω时，−ω=1，μ=0，ω称为磁等离rreffmp22reffmpω−ωr子体频率，ω>ω时，μ变为正值。mpeffεeffεeff=1μeff=1εe