传输线型Metamaterials的理论与应用研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Metmaterials的研究历程
• 1.2.1 起步阶段
• 1.2.2 争议阶段
• 1.2.3 深入研究阶段
• 1.3 本文研究的目的和主要内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 传输线型Metamaterials的理论分析
• 2.1 传输线型Metamaterials等效电路
• 2.2 基本原理
• 2.2.1 理想均匀的传输线
• 2.2.2 传输线型Metamaterials的LC网络
• 2.3 CRLH TL理论
• 2.4 SCRLH-C TL理论
• 2.5 SCRLH-L TL理论
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于SCRLH TL的超宽带滤波器的设计
• 3.1 超宽带滤波器概述
• 3.2 基于SCRLH-C TL的UWB滤波器设计
• 3.2.1 基于SCRLH-C TL的UWB滤波器的原理
• 3.2.2 实验与仿真结果
• 3.3 基于SCRLH-L TL的UWB滤波器设计
• 3.3.1 基于SCRLH-L TL的UWB滤波器原理
• 3.3.2 基于SCRLH-L TL的UWB滤波器设计及仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于SCRLH-C TL的零阶谐振器的设计
• 4.1 概述
• 4.2 零阶谐振器
• 4.3 电路仿真
• 4.4 SCRLH-C零阶谐振器的实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 利用SCRLH TL验证匹配MNG-ENG对的隧穿特性
• 5.1 基本原理
• 5.1.1 SCRLH TL方法
• 5.1.2 MNG-ENG结构的隧穿特性
• 5.2 集总元件电路仿真
• 5.3 基于传输线加载L-C的电路仿真
• 5.3.1 电路结构设计
• 5.3.2 散射参数仿真结果
• 5.4 基于微带线的仿真验证
• 5.4.1 电路结构设计
• 5.4.2 散射参数仿真结果
• 5.4.3 表面电流强度分布
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢