传输线型Metamaterials的理论与应用研究

作     者：韩振豫 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王政平

授予年度：2011年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：简化的左右手复合传输线 等效介质理论 布洛赫-弗洛盖理论 超宽带滤波器 零阶谐振器 隧穿特性 

摘      要：电磁超介质(Metamaterials)是具有天然材料所不具备的超常电磁特性的人工复合结构或复合介质,是当前物理学和电磁学的前沿课题之一。它或可等效的应用介质参量(电/磁偶极距、介电常数、磁导率)来描述,或可等效的应用传输线参量(阻抗／导纳、传播常数、特征阻抗)来研究分析。后者是随着传输线型Metamaterials的提出而出现的。由于传输线型Metamaterials在带宽、损耗和与平面电路的兼容性等方面都远远超过由谐振型结构复合的Metamaterials,因此它的实际应用价值已经引起了研究者的极大关注。其中,左右手复合(CRLH:composite right/left handed) Metamaterials,也就是左右手复合传输线(CRLH TL),作为最先被提出和研究的传输线型Metmaterials,已经被广泛的应用于微波器件与系统的设计之中。 简化的左右手复合(SCRLH:simplified composite right/left handed) Metamaterials是在CRLH TL的基础上去除串联电容或并联电感得到的另一种传输线型Metamaterials。它可以分为去除CRLH TL中串联电容的简化左右手复合传输线(SCRLH-C TL)和去除CRLH TL中并联电感的简化左右手复合传输线(SCRLH-L TL)两种。它们在获取无限波长传播波、非线性相移和实现单负(SNG:single negative)介质等方面与CRLH TL相比,具有分析容易,结构简单,更易集成等优点。 本文介绍了本论文的研究背景和当前国内外该领域的研究进展情况;根据等效介质理论和Bloch-Floquent理论,重点研究了SCRLH-C TL和SCRLH-L TL的等效介质参量和传播参量的频响特性;根据两种SCRLH TL所具有的带通滤波特性,利用SCRLH TL的结构设计了两种超宽带带通滤波器,电路仿真、全波仿真和实验测量结果验证了该理论用于超宽带滤波器设计的可行性;基于终端开路的SCRLH-C TL所具有的零阶谐振特性,分别制作了4单元和1单元的零阶谐振器,对其进行的电路仿真、全波仿真和实验测量的结果具有一致性,验证了SCRLH TL用于微型化、高Q值零阶谐振器的设计正确性;分别利用SCRLH-C TL和SCRLH-L TL在某一频段实现一维的电单负(ENG:epsilon-negative)介质、磁单负(MNG:mu-negative)介质,然后,适当的选取两种SCRLH TL的电磁参量,使ENG介质和MNG介质满足共轭匹配条件,并实验验证了匹配电单负和磁单负介质对的隧穿特性;最后总结了本论文工作并展望了本课题今后可能开展的工作。