左手材料理论.

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)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，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为221pmetal其中，等离子体频率p为epmne022(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)i(12pnormal22πarnneff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RenrRIRHπ2ππ2)(2v(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ARH10)()(ln2)(20RaenrRAv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vvnrmnrranrernArePeffe222202ππln2)(π其中，电子有效质量meff为(1-6)(1-7)(1-8)ranremeffln2220(1-9)将式1-4、式1-9代入式1-2)(lnπ222022raacmeneffeffp2.2ENG、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22202πi1rappeff(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00HBeffave(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jarjHHin220π(1-13)环绕金属柱体的总电动势为jrjarjHrRIBtπ2]π[πi22002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022202i]π1[rrarHj(1-14)(1-15)导体外平均磁场强度为1022002202iπ12i1πrarrHjarHHave(1-16)2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料比较式1-12、式1-16102202i1π1rarHBaveaveeff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)jCrrjjarHr)πi1π2()π(iπ2220022001cddC(1-18)(1-19)周期排列的开口环的等效磁导率03222222iπ31π1rrdcareff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dccdcC2lnπ12lnπ2000(1-21)13202022π32i1π1Crlrlareff103220222i/2lnπ31π1rldcrlcareff(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中时谐电磁波的解为YUzIZIzUxyyxEzHHzEii(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0iii0iiiRReffRReffCCYLLZ(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01i1i1i01i1i1i22LLeffLLeffLLYCCZ(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YZiCRLH传输线的Z、Y分别为LRLRLRLRYYLCYZZCLZ)1-i()()1-i()((1-27)(1-28)传输线的特性阻抗为2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料1)/(1)/(220shseLZYZZ(1-29)LLLCLZ其中RRRCLZLRseCL1RLshCL1(1-30)传输线的传播常数为))(()(i)(ii2222222shseRLLRsks(1-31)2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料其中RRRCL1LLLCL1LRRLCLCLk),(min1),(min1)(shseshses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，表现为右手材料的传播特征(1-32)•当[min(se,sh),max(se,sh)]时，为一实数(假定传输线无耗)，在传播常数与频率的关系曲线中出现凹陷区，构成了电磁波传播的阻带区域2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料对于CRLHLReffLReffLCYCLZ221i1i(1-32)2.2ENG、MNG、DNG人工电磁材料•当角频率0时，eff=-1/(2CL)，eff=-1/(2LL)，趋同于理想左手材料的结构参数•而当时，eff=LR，eff=CR，趋同于普通右手材料的结构参数2.3铁氧体材料的吸波原理电偶极子和磁偶极子吸波可用复介电常数和磁导率描述ii(6-1)′和′分别表征极化和磁化吸收的变量；″、″分别表征外加电磁场下材料电偶矩、磁偶矩引起的电磁损耗2.3铁氧体材料的吸波原理损耗因子tan可表示为MEtantantan(6-3)电磁波垂直入射时，反射可由反射系数表示2121ZZZZ(6-2)波阻抗定义为HEZ(6-4)电磁波从自由空间垂直入射铁氧体时，入射阻抗为2.3铁氧体材料的吸波原理dZinπ2itanhλ为自由空间中电磁波波长；d为吸波体的厚度传输系数Tr为dTriexp铁氧体的反射损耗为(6-5)(6-6)2.3铁氧体材料的吸波原理11ininZZ(dB)(6-7)铁氧体吸波材料的匹配条件为1π2itanhd(6-8)3实验样品设计3.1利用开口环设计通带滤波器设计要求在超宽带频段内设计5.2、5.8或8GHz的单一陷波特性滤波器折叠开口环滤波器模型缺陷地结构设计方法•引入折叠开口环结构•引入开口环缺陷地结构优化计算3实验样品设计024681012-20-15-10-50S21(dB)Frequency(GHz)w=1.8w=2.3w=3.4051015-60-50-40-30-20-100SParameter(dB)Frequency(GHz)S11S21图1.7折叠环用于超宽带滤波器中产生陷波相应3.2利用开口环设计阻带天线3实验样品设计未加谐振环添加谐振环36912051015VSWRFrequency(GHz)369120481216VSWRFrequency(GHz)3.3利用复合左右手传输线设计阻带滤波器3实验样品设计复合左右手结构滤波器模型仿真与测试结果3.4利用铁氧体吸波材料设计定向天线3实验样品设计设计要求天线尺寸：直径69mm，长度500mm；幅值前后比：3；幅值时域方向图(E面，H面)：30；拖尾信号：幅值比10:1，拖尾持续时间1T(脉宽)；馈电信号波形参数：脉宽3ns，二阶高斯脉冲；适用介质环境：石灰岩、花岗岩设计方案3实验样品设计a发射天线仿真模型b发射天线实物照片c定向铁氧体天线仿真模型d定向铁氧体天线实物照片图6.2全向发射、定向接收天线仿真计算模型及加工实物照片4实验作业4实验作业(1)利用复合传输线设计2通带天线通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范4.1实验1作业(频域)4实验作业(3)利用开口环设计3阻带天线阻带中心频点位置、带宽应满足FCC规范(4)利用开口环设计3通带滤波器通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范(5)利用开口环设计3阻带滤波器通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范(6)利用等离子体与光子晶体设计0.2THz调制器(2)利用开口环设计3通带天线通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范4.2实验1作业(时域)4实验作业(1)利用特殊材料设计钻孔测井天线•设计一加载定向偶极子天线阵列•馈电脉冲信号：峰-峰值脉宽1.5ns；•峰值电压：1kV；•天线E面时域方向图30；H面时域方向图60•接收信号拖尾：幅度比10:1，拖尾信号持续时间1.5T；•天线阻抗：5010；•天线直径：80mm(2)利用等离子体与光子晶体设计1THz调制器(4)利用开口环设计2阻带天线阻带中心频点位置、带宽应满足FCC规范(5)利用开口环设计2通带滤波器通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范(6)利用开口环设计2阻带滤波器通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范(3)利用开口环设计2通带天线通带中心频点位置、带宽应满足FCC规范4实验作业