异向介质电磁特性与微波电路应用研究

论文摘要

异向介质(metamaterials)指介电常数ε和磁导率μ中的一个或者全部为负值的人工合成材料，本论文深入研究了异向介质的一些特异的电磁特性及微波电路应用。论文研究了色散左手材料中的多普勒频移和单轴异向介质中的Cerenkov辐射特性，利用色散的时域有限差分(FDTD)方法进行了数值仿真。研究结果显示：异向介质左手材料的强色散特性可同时影响多普勒频移的方向、大小以及反射信号的带宽；在单轴异向介质中出现钝角的Cerenkov辐射现象。论文研究了互补开口谐振环(CSRR)结构的特性及应用。CSRR通过在接地平面上刻蚀出开口谐振环(SRR)形状的缝隙实现，在其谐振频率附近表现出负的等效介电常数。论文给出了两种不同结构的CSRR微带线单元的等效电路模型以及电路模型中各元件参数的提取公式。基于等效电路模型将CSRR结构应用到低通、带阻和高通滤波器的设计，提出了一种基于CSRR结构的新型耦合微带定向耦合器的分析设计方法。数值仿真和实验测量的结果表明这种基于CSRR的新型微带耦合器能在较宽的频带范围内实现紧耦合。论文研究了新型缺陷地结构(DGS)结构在微带滤波器和耦合微带定向耦合器中的应用。传统开口环结构的带通滤波器很难满足宽频带的要求，开口环结构的DGS谐振器可以有效提高谐振器间的耦合系数，从而可用于设计宽带带通滤波器。本文提出了利用DGS技术改进传统的耦合微带定向耦合器的耦合度和带宽的方法。THz频段异向介质的研究还处于探索阶段。本论文研究了异向介质结构的频率选择表面(FSS)在THz频段的滤波特性，利用周期边界条件的FDTD方法对几种异向介质结构的FSS的频率特性进行了数值仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 异向介质的研究概况
• 1.2 互补开口谐振环（CSRR）结构简介
• 1.3 缺陷接地结构（DGS）简介
• 1.4 异向介质在THz频段的研究进展
• 1.5 本论文研究工作与内容安排
• 第二章 左手材料中多普勒频移的研究与数值仿真
• 2.1 左手材料中异常电磁特性简介
• 2.1.1 后向波与负折射率
• 2.1.2 完美透镜
• 2.1.3 逆向的多普勒频移
• 2.1.4 钝角的Cerenkov辐射
• 2.1.5 逆向的Goos-hanchen（GH）偏移
• 2.2 色散FDTD方法介绍
• 2.3 左手材料中的逆向多普勒频移
• 2.3.1 色散媒质中多普勒效应分析
• 2.3.2 基于色散FDTD方法的数值仿真
• 2.4 小结
• 第三章 单轴异向介质的电磁特性分析
• 3.1 单轴异向介质简介
• 3.2 单轴异向介质中的Cerenkov辐射
• 3.2.1 单轴异向介质中Cerenkov辐射电磁场特性
• 3.2.2 基于FDTD的数值仿真
• 3.2.3 结论
• 3.3 有耗单轴异向介质的电磁特性分析
• 3.3.1 有耗单轴异向介质中电磁波的传播特性
• 3.3.2 电磁波由有耗单轴介质入射到自由空间后的传播特性
• 3.3.4 结论
• 第四章 互补开口谐振环（CSRR）结构分析和微波电路应用
• 4.1 CSRR微带单元的等效电路模型与参数提取方法
• 4.1.1 CSRR微带线的等效电路模型
• 4.1.2 等效电路模型的验证
• 4.2 CSRR结构在耦合微带定向耦合器中的应用
• 4.2.1 CSRR的耦合微带定向耦合器的奇偶模分析
• 4.2.2 基于CSRR的3dB耦合微带定向耦合器的设计
• 4.3 CSRR结构在微带滤波器中的应用
• 4.3.1 低通滤波器的设计
• 4.3.2 带阻滤波器的设计
• 4.3.3 高通滤波器的设计
• 4.4 小结
• 第五章 新型缺陷地结构（DGS）在微波器件中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 新型DGS结构在微带滤波器中的应用
• 5.2.1 耦合谐振滤波器的耦合矩阵
• 5.2.2 DGS结构谐振器的耦合系数
• 5.2.3 DGS结构滤波器设计实例
• 5.3 新型DGS结构在微带线耦合器中的应用
• 5.3.1 基于DGS结构的宽带微带定向耦合器
• 5.3.2 基于DGS结构的3dB耦合微带定向耦合器
• 5.4 小结
• 第六章 异向介质在THz频段的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 频率选择表面简介
• 6.2.1 FSS的物理机制
• 6.2.2 典型FSS结构的等效电路
• 6.3 THz频段异向介质结构在频率选择表面中的应用
• 6.3.1 SRR结构的带阻型频率选择表面
• 6.3.2 CSRR结构的带通型频率选择表面
• 6.3.3 对称环结构的带通型频率选择表面
• 6.4 小结
• 结束语
• 参考文献
• 在学期间发表论文情况
• 致谢