异向介质天线研究
左手介质，又称异向媒质，负折射率介质等，我们可以将其归为超常媒的一类。左手介质是近年来出现的一种新型人工电磁媒质，它的特点是在某些频段同时具有负介电常数和负磁导率。对于许多常规媒质来说，实现负折射是不可企及的。然而，左手介质能够轻易实现负折射等电磁特性，在传感器，移相器、藕合器、滤波器、谐振器及雷达等领域具有良好的使用价值。
本文将左手介质引入到微带贴片天线的设计中，构造了低剖面、小型化的左手介质贴片天线，并研究了贴片天线小型化后的新型辐射模式。在此类左手介质小型化贴片天线的设计中，我们没有增加任何如阻抗变换器等类似的匹配网络来进行天线的阻抗匹配，而是直接以微带馈电的形式来加以实现，使得模型比较简单。 HM000080
本文首先介绍了左手介质单元以及微带贴片天线的相关理论，并整理了复合左右手传输线的等效电路模型。其次，本文针对基本模型的结果，建立了多种新型左手介质贴片天线模型，对影响左手介质贴片天线工作特性的主要参量进行了仿真计算和优化，确立了一套快速设计天线的基本方法。
本文设计的小型化左手介质贴片天线，满足天线的基本带宽要求，增益也能够满足特定的需要，且物理尺寸较原有普通贴片天线小25%-50%，实现了小型化的预期指标。
最后，对左手介质贴片天线的优势进行了总结，并提出对左手介质贴片天线应用未来前景的看法。
关键词: 左手介质; 互补开口谐振环; 贴片天线; 等效电路模型; 小型化
2.1 异向介质的发展
物理学中, 介电常数和磁导率是描述均匀媒质中电磁场性质最基本的两个物理量。 在已知的物质世界中, 对于电介质而言, 介电常数和磁导率都为正值, 电场、磁场和波矢三者构成右手关系, 这样的物质被称为右手材料( Right H anded Materials, RHM ) . 而所谓左手材料( Left Handed Materials,LHM ) 是指介电常数和磁导率同时为负的媒质, 也称双负介质( Double Negative Materials, DN G )其特点是电场、磁场和波矢三者构成左手关系. 左手材料概念最初由前苏联物理学家Veselago于1964年提出, 从Maxwell方程出发, 分析了电磁波在介电常数和磁导率同时为负介质中传播的状况, 从理论上指出这种介质的存在是不违反物理学定律的, 并且具有负折射效应、逆多普勒效应、完美透镜等奇异物理现象。 但由于自然界并不存在这种性质特异的物质, 故在该理论提出的近30年内左手材料发展几乎处于停滞状态. 1999年, 英国皇家学院 Pendry 等人相续提出了用周期性排列的金属棒和开口金属谐振环, 可以在微波波段分别产生等效负介电常数和等效负磁导率的思路, 并提出了左手材料具有 完美透镜 特性的概念。2001年, 美国加州大学圣迭哥分校物理学家Smith教授等人首次成功地通过人工方法构造出了这种自然界中并不存在的材料, 并且利用此媒质进行了电波传播实验, 通过实验观察到了负折射等一系列左手材料中电波传播的特殊现象. 这些研究成果在国际上引起了很大的反响, 也引起了广大学者的兴趣. 近年来, 对左手材料的深入研究已成为各国物理学家和电磁学家十分感兴趣的课题. 随后左手材料研究取得重大突破, 并被Science杂志评为2003年度十大科技进展之一。
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加各种形状的导体薄片而形成的天线. 它利用微带线或同轴线等方式馈电, 在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场, 并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射. 自上世纪 70 年代中期以来, 微带天线以其体积小、重量轻、剖面低、成本低、制造工艺简单、易于与飞行器共形、易于实现线极化或圆极化、易于组阵等一系列优点得到了日益广泛的应用. 左手材料由于具有一系列的电磁奇异特性, 目前已发现它在天线领域有着不可低估的应用前景, 例如: 利用左手材料对电磁波的负折射现象, 可以有效地改善天线的辐射特性, 使天线的方向图更好, 辐射增益更大等等. 同时, 目前人工备制的具有双负电磁特性的材料可以通过电路板印刷的方式实现, 更加有利于与微带天线共面及一体化的实现。 查看完整请+Q:351916072获取
2.2 异向介质及其电磁特性
2.2.1 基本概念
在经典电动力学中, 介质的电磁性质可以用介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述. 正弦时变电磁场的波动方程为:
E + E = 0 ( 2.1)
E + E = 0 ( 2.2)
其中 k= 为波数。自然界中物质的ε和μ一般都与电磁波频率有关, 并且在大多数情况下都为正数, 此时方程(2.1) ，（2.2）有波动解, 电磁波能在其中传播. 对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质, 由 Maxwell 方程组推出:
k×E =ωμH ( 2.3)
k×H = -ωμE ( 2.4)
k·E = 0 ( 2.5)
显然, 满足上式的 k 、E 和 H 构成右手螺旋关系, 相应的材料即右手材料( RHM ) . 而如果介质的μ和ε两者之间一个为正数而另一个为负数, 则 k < 0, k 无实数解, 即方程(2.3)，（2.4），（2.5）无波动解, 电磁波不能在其中传播.当μ和ε两者同时为负时, 方程(2.3)，（2.4），（2.5）有波动解, 电磁波能在其中传播, 但是 k、E 和 H 之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系, 这种介质就被称为左手材料( Left Handed Materials)。图2.1显示的是 k 、E 和H 在 RHM 和 LHM 材料中相互的矢量关系。
图2.1 电磁波在RHM和LHM电场、磁场、波向量和能量流密度方向之间的矢 量关系
由于电磁波能流的方向取决于坡印廷矢量 S 的方向, 而 k =E×H, 即 E 、H 、S 始终构成右手螺旋关系. 因此在左手材料中, 它的方向代表电磁波相速的方向和 S 的方向相反。k = 为负数, 介质的折射率n=C/V=Ck/ω也为负数, 所以这种介质也被称为负折射率物质。
此外, 左手材料必须是色散的, 即其介电常数ε和磁导率μ随频率变化而变化. 由能量密度表达式 w = + 可知, 假如左手材料非色散, 存储在其中的电磁能量密度则为负值, 这意味着当电磁波从外部传入左手材料时, 无源的左手材料将对外做功, 这显然违背了能量守恒定律, 可见左手材料必须是色散介质. 作为色散介质, 左手材料电磁能量密度可表示为:查看完整请+Q:351916072获取
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
第2章 异向介质简介 3
2.1 异向介质的发展 .3
2.2 异向介质及其电磁特性 4
2.2.1、基本概念 4
2.2.2、负折射现象 5
2.2.3、逆Doppler效应 6
2.2.4、异向介质的人工实现 7
2.3 本章小结.7
第3章 贴片天线的基础 8
3.1 引言 8
3.2 微带贴片天线的发展 8
3.3 贴片天线的基础 10
第4章 异向介质天线 13
4.1 异向介质天线的分类 13
4.2 异向介质贴片天线小型化的原理 14
4.3 本章小结17
第5章 异向介质贴片天线的设计与仿真 18
5.1 引言 18
5.2 异向介质贴片天线的设计与仿真 18
5.2.1、异向介质贴片天线加载对比分析 18
5.2.2、复合左右手传输线贴片天线的原理 19
5.2.3、复合左右手传输线贴片天线的分析与仿真 21
第6章 基于CST的天线的设计与仿真 27
6.1 引言 27
6.2 基于CST的天线的建模 28
6.3 基于CST的天线的仿真现象 29
第7章 总结与展望 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 36
一、英文原文 36
二、英文翻译 46 查看完整请+Q:351916072获取
本文将左手介质引入到微带贴片天线的设计中，构造了低剖面、小型化的左手介质贴片天线，并研究了贴片天线小型化后的新型辐射模式。在此类左手介质小型化贴片天线的设计中，我们没有增加任何如阻抗变换器等类似的匹配网络来进行天线的阻抗匹配，而是直接以微带馈电的形式来加以实现，使得模型比较简单。 HM000080
本文首先介绍了左手介质单元以及微带贴片天线的相关理论，并整理了复合左右手传输线的等效电路模型。其次，本文针对基本模型的结果，建立了多种新型左手介质贴片天线模型，对影响左手介质贴片天线工作特性的主要参量进行了仿真计算和优化，确立了一套快速设计天线的基本方法。
本文设计的小型化左手介质贴片天线，满足天线的基本带宽要求，增益也能够满足特定的需要，且物理尺寸较原有普通贴片天线小25%-50%，实现了小型化的预期指标。
最后，对左手介质贴片天线的优势进行了总结，并提出对左手介质贴片天线应用未来前景的看法。
关键词: 左手介质; 互补开口谐振环; 贴片天线; 等效电路模型; 小型化
2.1 异向介质的发展
物理学中, 介电常数和磁导率是描述均匀媒质中电磁场性质最基本的两个物理量。 在已知的物质世界中, 对于电介质而言, 介电常数和磁导率都为正值, 电场、磁场和波矢三者构成右手关系, 这样的物质被称为右手材料( Right H anded Materials, RHM ) . 而所谓左手材料( Left Handed Materials,LHM ) 是指介电常数和磁导率同时为负的媒质, 也称双负介质( Double Negative Materials, DN G )其特点是电场、磁场和波矢三者构成左手关系. 左手材料概念最初由前苏联物理学家Veselago于1964年提出, 从Maxwell方程出发, 分析了电磁波在介电常数和磁导率同时为负介质中传播的状况, 从理论上指出这种介质的存在是不违反物理学定律的, 并且具有负折射效应、逆多普勒效应、完美透镜等奇异物理现象。 但由于自然界并不存在这种性质特异的物质, 故在该理论提出的近30年内左手材料发展几乎处于停滞状态. 1999年, 英国皇家学院 Pendry 等人相续提出了用周期性排列的金属棒和开口金属谐振环, 可以在微波波段分别产生等效负介电常数和等效负磁导率的思路, 并提出了左手材料具有 完美透镜 特性的概念。2001年, 美国加州大学圣迭哥分校物理学家Smith教授等人首次成功地通过人工方法构造出了这种自然界中并不存在的材料, 并且利用此媒质进行了电波传播实验, 通过实验观察到了负折射等一系列左手材料中电波传播的特殊现象. 这些研究成果在国际上引起了很大的反响, 也引起了广大学者的兴趣. 近年来, 对左手材料的深入研究已成为各国物理学家和电磁学家十分感兴趣的课题. 随后左手材料研究取得重大突破, 并被Science杂志评为2003年度十大科技进展之一。
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加各种形状的导体薄片而形成的天线. 它利用微带线或同轴线等方式馈电, 在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场, 并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射. 自上世纪 70 年代中期以来, 微带天线以其体积小、重量轻、剖面低、成本低、制造工艺简单、易于与飞行器共形、易于实现线极化或圆极化、易于组阵等一系列优点得到了日益广泛的应用. 左手材料由于具有一系列的电磁奇异特性, 目前已发现它在天线领域有着不可低估的应用前景, 例如: 利用左手材料对电磁波的负折射现象, 可以有效地改善天线的辐射特性, 使天线的方向图更好, 辐射增益更大等等. 同时, 目前人工备制的具有双负电磁特性的材料可以通过电路板印刷的方式实现, 更加有利于与微带天线共面及一体化的实现。 查看完整请+Q:351916072获取
2.2 异向介质及其电磁特性
2.2.1 基本概念
在经典电动力学中, 介质的电磁性质可以用介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述. 正弦时变电磁场的波动方程为:
E + E = 0 ( 2.1)
E + E = 0 ( 2.2)
其中 k= 为波数。自然界中物质的ε和μ一般都与电磁波频率有关, 并且在大多数情况下都为正数, 此时方程(2.1) ，（2.2）有波动解, 电磁波能在其中传播. 对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质, 由 Maxwell 方程组推出:
k×E =ωμH ( 2.3)
k×H = -ωμE ( 2.4)
k·E = 0 ( 2.5)
显然, 满足上式的 k 、E 和 H 构成右手螺旋关系, 相应的材料即右手材料( RHM ) . 而如果介质的μ和ε两者之间一个为正数而另一个为负数, 则 k < 0, k 无实数解, 即方程(2.3)，（2.4），（2.5）无波动解, 电磁波不能在其中传播.当μ和ε两者同时为负时, 方程(2.3)，（2.4），（2.5）有波动解, 电磁波能在其中传播, 但是 k、E 和 H 之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系, 这种介质就被称为左手材料( Left Handed Materials)。图2.1显示的是 k 、E 和H 在 RHM 和 LHM 材料中相互的矢量关系。
图2.1 电磁波在RHM和LHM电场、磁场、波向量和能量流密度方向之间的矢 量关系
由于电磁波能流的方向取决于坡印廷矢量 S 的方向, 而 k =E×H, 即 E 、H 、S 始终构成右手螺旋关系. 因此在左手材料中, 它的方向代表电磁波相速的方向和 S 的方向相反。k = 为负数, 介质的折射率n=C/V=Ck/ω也为负数, 所以这种介质也被称为负折射率物质。
此外, 左手材料必须是色散的, 即其介电常数ε和磁导率μ随频率变化而变化. 由能量密度表达式 w = + 可知, 假如左手材料非色散, 存储在其中的电磁能量密度则为负值, 这意味着当电磁波从外部传入左手材料时, 无源的左手材料将对外做功, 这显然违背了能量守恒定律, 可见左手材料必须是色散介质. 作为色散介质, 左手材料电磁能量密度可表示为:查看完整请+Q:351916072获取
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
第2章 异向介质简介 3
2.1 异向介质的发展 .3
2.2 异向介质及其电磁特性 4
2.2.1、基本概念 4
2.2.2、负折射现象 5
2.2.3、逆Doppler效应 6
2.2.4、异向介质的人工实现 7
2.3 本章小结.7
第3章 贴片天线的基础 8
3.1 引言 8
3.2 微带贴片天线的发展 8
3.3 贴片天线的基础 10
第4章 异向介质天线 13
4.1 异向介质天线的分类 13
4.2 异向介质贴片天线小型化的原理 14
4.3 本章小结17
第5章 异向介质贴片天线的设计与仿真 18
5.1 引言 18
5.2 异向介质贴片天线的设计与仿真 18
5.2.1、异向介质贴片天线加载对比分析 18
5.2.2、复合左右手传输线贴片天线的原理 19
5.2.3、复合左右手传输线贴片天线的分析与仿真 21
第6章 基于CST的天线的设计与仿真 27
6.1 引言 27
6.2 基于CST的天线的建模 28
6.3 基于CST的天线的仿真现象 29
第7章 总结与展望 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 36
一、英文原文 36
二、英文翻译 46 查看完整请+Q:351916072获取
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