1、(1) 了解人工電磁材料的基本工作原理及其應用現(xiàn)狀了解人工電磁材料的基本工作原理及其應用現(xiàn)狀(2) 利用人工電磁材料設(shè)計微波器件利用人工電磁材料設(shè)計微波器件(時域、頻域時域、頻域)(3) 掌握微波器件主要參數(shù)的實驗測試方法掌握微波器件主要參數(shù)的實驗測試方法1 實驗目的實驗目的2 實驗原理實驗原理2.1 人工電磁材料的基本概念人工電磁材料的基本概念通常指自然界中不存在，通過人工制造且具天然材料所不具通常指自然界中不存在，通過人工制造且具天然材料所不具備的特殊電磁性質(zhì)的復合結(jié)構(gòu)或復合材料備的特殊電磁性質(zhì)的復合結(jié)構(gòu)或復合材料(1) 人工電磁材料的基本概念人工電磁材料的基本概念(2) 典型特征典型特征

2、 材料主要參數(shù)中具有自然材料所不能達到的取值材料主要參數(shù)中具有自然材料所不能達到的取值 材料參數(shù)及其變化可滿足人們的某種特殊電磁功能需求材料參數(shù)及其變化可滿足人們的某種特殊電磁功能需求(3) 典型人工電磁材料典型人工電磁材料(a) 光子晶體光子晶體 (Photonic Band Gap，PBG) 光子晶體模型的典型結(jié)構(gòu)光子晶體模型的典型結(jié)構(gòu)UC-EBG結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (b) EBG帶隙材料帶隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)基底周期空洞基底周期空洞高阻抗表面結(jié)構(gòu)高阻抗表面結(jié)構(gòu)(c) 吸波材料或特殊吸波材料或特殊 r 、 材料材料RH2100鐵氧體鐵氧體 負負 r 、

3、正、正 材料材料(Epsilon Negative Material，ENG) 正正 r 、負磁導率、負磁導率(Magnetic Negative Media，MNG)左手材料左手材料 (Double Negative Material，DNG)(d) ENG、MNG、DNG 材料材料Rod周期結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)的ENG材料材料SRR周期結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)的MNG材料材料Rod、SRR結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)DNG材料材料(4) 人工電磁材料的主要應用人工電磁材料的主要應用 微波器件小型化、定向天線微波器件小型化、定向天線 微波吸收微波吸收 電磁電磁(光光)隔離或?qū)ǜ綦x或?qū)?表面波抑制表面波抑制 隱身、負折射隱身

4、、負折射(a) 應用領(lǐng)域應用領(lǐng)域傳輸線、微波器件、電磁儲能、天線、光學、微波電路與系統(tǒng)傳輸線、微波器件、電磁儲能、天線、光學、微波電路與系統(tǒng)(b) 實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能2.2 ENG、MNG、DNG人工電磁材料的基本工作原理人工電磁材料的基本工作原理(1) 周期排列金屬桿形成周期排列金屬桿形成ENG材料的基本原理材料的基本原理 存在沿導線方向電場時，金屬桿中自由電子氣產(chǎn)生等離子存在沿導線方向電場時，金屬桿中自由電子氣產(chǎn)生等離子體諧振，理想情況下周期性金屬棒的介電常數(shù)可被表為體諧振，理想情況下周期性金屬棒的介電常數(shù)可被表為 221 pmetal 其中，等離子體頻率其中，等離子體頻率 p為為epmne

5、022 (1-1)(1-2)考慮金屬中的電子散射衰減，介電常數(shù)可被表示為考慮金屬中的電子散射衰減，介電常數(shù)可被表示為 視周期性排列金屬桿為電子氣等離子體，其有效電子密度為視周期性排列金屬桿為電子氣等離子體，其有效電子密度為)i(12 pnormal22arnneff 其中，其中， 表示電子與中性粒子的散射頻率表示電子與中性粒子的散射頻率金屬桿電流在空金屬桿電流在空間間R處產(chǎn)處產(chǎn)生的磁場強度為生的磁場強度為RenrRIRH22)(2v (1-3)(1-4)(1-5)其中，其中，v為為電子的平均速度電子的平均速度用矢量位用矢量位 A 表示磁場強度，則表示磁場強度，則ARH 10)( )(ln2)(

6、20RaenrRAv 其中其中電子在電場中所受沖量為電子在電場中所受沖量為eA，單位長度細金屬棒動量改變量，單位長度細金屬棒動量改變量 vvnrmnrranrernArePeffe222202ln2)( 其中，電子有效質(zhì)量其中，電子有效質(zhì)量meff為為(1-6)(1-7)(1-8) ranremeffln2220 (1-9)將式將式1-4、式、式1-9代入式代入式1-2)(ln222022raacmeneffeffp (1-10)將式將式1-10代入式代入式1-3，并同時代入，并同時代入 因子的表達式因子的表達式 22202i1rappeff(1-11)當當 p時，時， eff 實部為負，即為

7、實部為負，即為ENG材料材料(2) 周期排列周期排列SRR形成形成MNG材料的基本原理材料的基本原理對周期無限長導電圓柱，等效磁導率可以定義為對周期無限長導電圓柱，等效磁導率可以定義為00HBeffave (1-12)H0為外加平行于導體的磁場為外加平行于導體的磁場設(shè)柱體內(nèi)感應電流為設(shè)柱體內(nèi)感應電流為 j，則，則柱體內(nèi)柱體內(nèi)磁場強度為磁場強度為jarjHHin220 (1-13)環(huán)繞金屬柱體的總電動勢為環(huán)繞金屬柱體的總電動勢為jrjarjHrRIBt 2i22002 當電動勢平衡時，感應電流當電動勢平衡時，感應電流j可以表示為可以表示為022202i1 rrarHj (1-14)(1-15)導

8、體外平均磁場強度為導體外平均磁場強度為1022002202i12i1 rarrHjarHHave(1-16)比較式比較式1-12、式、式1-16102202i11 rarHBaveaveeff 無限長周期排列金屬棒可以降低磁導率無限長周期排列金屬棒可以降低磁導率對無限長開口環(huán)諧振器，感應電流與外加磁場的關(guān)系可表為對無限長開口環(huán)諧振器，感應電流與外加磁場的關(guān)系可表為(1-17)jCrrjjarHr)i12()(i222002 2001cddC (1-18)(1-19)周期排列的開口環(huán)的等效磁導率周期排列的開口環(huán)的等效磁導率03222222i311 rrdcareff (1-20)對平面排列的對平

9、面排列的SRR結(jié)構(gòu)，考慮到雙環(huán)之間的電容結(jié)構(gòu)，考慮到雙環(huán)之間的電容 dccdcC2ln12ln2000 (1-21)1320202232i11 Crlrlareff 103220222i/2ln311 rldcrlcareff(1-22)(3) 復合傳輸線形成復合傳輸線形成LHM材料的基本原理材料的基本原理左手、復合左右手傳輸線等效電路左手、復合左右手傳輸線等效電路右手傳輸線等效電路右手傳輸線等效電路右手傳輸線右手傳輸線的電壓電流方程可以表示為的電壓電流方程可以表示為A 右手傳輸線的電磁參數(shù)右手傳輸線的電磁參數(shù)由麥克斯韋方程組可得均勻物質(zhì)中時諧電磁波的解為由麥克斯韋方程組可得均勻物質(zhì)中時諧電磁

10、波的解為 YUzIZIzU xyyxEzHHzE ii(1-23)(1-24)對比式對比式1-23與式與式1-24 0iii0iiiRReffRReffCCYLLZ (1-25)對對左手傳輸線左手傳輸線，其等效介電常數(shù)和等效磁導率表達式為，其等效介電常數(shù)和等效磁導率表達式為 01i1i1i01i1i1i22LLeffLLeffLLYCCZ (1-26)左手傳輸線構(gòu)成了左手傳輸線構(gòu)成了LHM材料材料 B 左手傳輸線的電磁參數(shù)左手傳輸線的電磁參數(shù)C 左右手傳輸線的電磁參數(shù)左右手傳輸線的電磁參數(shù)由傳輸線定理，傳播常數(shù)由傳輸線定理，傳播常數(shù)YZ iCRLH傳輸線的傳輸線的Z 、Y 分別為分別為 LRL

11、RLRLRYYLCYZZCLZ)1-i()()1-i()( (1-27)(1-28)傳輸線的特性阻抗為傳輸線的特性阻抗為 1)/(1)/(220 shseLZYZZ (1-29)LLLCLZ 其中其中RRRCLZ LRseCL 1 RLshCL 1 (1-30)傳輸線的傳播常數(shù)傳輸線的傳播常數(shù) 為為 )()(i)(ii2222222shseRLLRsks (1-31)其中其中 RRRCL 1 LLLCL 1 LRRLCLCLk ),(min1),(min1)(shseshses 討論討論 當當 s( )=-1時相位因子時相位因子 為負值，相速與群速平行反向，表現(xiàn)為為負值，相速與群速平行反向，表

12、現(xiàn)為 左手材料的傳播特征左手材料的傳播特征 當當 s( )=1時相位因子時相位因子 為正值，相速與群速平行同向，表現(xiàn)為為正值，相速與群速平行同向，表現(xiàn)為 右手材料的傳播特征右手材料的傳播特征(1-32) 當當 min( se, sh), max( se, sh) 時，時， 為一實數(shù)為一實數(shù) (假定傳輸假定傳輸 線無耗線無耗)，在傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線中出現(xiàn)凹陷區(qū)，構(gòu)成，在傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線中出現(xiàn)凹陷區(qū)，構(gòu)成 了電磁波傳播的了電磁波傳播的阻帶區(qū)域阻帶區(qū)域 對于對于CRLH LReffLReffLCYCLZ221i1i (1-32) 當角頻率當角頻率 0時，時， eff=-1/( 2C L

13、)， eff=-1/( 2L L)，趨同于，趨同于 理想左手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)理想左手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù) 而當而當 時，時， eff=L R， eff= C R，趨同于普通右手材料的，趨同于普通右手材料的 結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 2.3 鐵氧體材料的吸波原理鐵氧體材料的吸波原理電偶極子和磁偶極子吸波可用復介電常數(shù)和磁導率描述電偶極子和磁偶極子吸波可用復介電常數(shù)和磁導率描述 i i(6-1) 和和 分別表征極化和磁化吸收的變量；分別表征極化和磁化吸收的變量； 、 分別表征分別表征外加電磁場下材料電偶矩、磁偶矩引起的電磁損耗外加電磁場下材料電偶矩、磁偶矩引起的電磁損耗 損耗因子損耗因子tan 可表示為可表示為

14、MEtantantan(6-3)電磁波垂直入射時，反射可由電磁波垂直入射時，反射可由反射系數(shù)反射系數(shù) 表示表示 2121ZZZZ (6-2)波阻抗波阻抗定義為定義為 HEZ (6-4)電磁波從自由空間垂直入射鐵氧體時，電磁波從自由空間垂直入射鐵氧體時，入射阻抗入射阻抗為為 dZin2itanh為自由空間中電磁波波長；為自由空間中電磁波波長；d 為吸波體的厚度為吸波體的厚度 傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)Tr 為為 dTriexp 鐵氧體的鐵氧體的反射損耗反射損耗 為為 (6-5)(6-6)11 ininZZ (dB) (6-7)鐵氧體吸波材料的鐵氧體吸波材料的匹配條件匹配條件為為 12itanh d(6-8

15、)3.1 利用開口環(huán)設(shè)計通帶濾波器利用開口環(huán)設(shè)計通帶濾波器設(shè)計要求設(shè)計要求在超寬帶頻段內(nèi)設(shè)計在超寬帶頻段內(nèi)設(shè)計5.2、5.8 或或 8 GHz的單一陷波特性濾波器的單一陷波特性濾波器 折疊開口環(huán)折疊開口環(huán)濾波器模型濾波器模型缺陷地結(jié)構(gòu)缺陷地結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計方法 引入折疊開口環(huán)結(jié)構(gòu)引入折疊開口環(huán)結(jié)構(gòu) 引入開口環(huán)缺陷地結(jié)構(gòu)引入開口環(huán)缺陷地結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算優(yōu)化計算024681012-20-15-10-50 S21 (dB)Frequency (GHz) w=1.8 w=2.3 w=3.4051015-60-50-40-30-20-100 S Parameter (dB)Frequency (GHz) S

16、11 S21 圖圖1.7 折疊環(huán)用于超寬帶濾波器中產(chǎn)生陷波相應折疊環(huán)用于超寬帶濾波器中產(chǎn)生陷波相應3.2 利用開口環(huán)設(shè)計阻帶天線利用開口環(huán)設(shè)計阻帶天線未加諧振環(huán)未加諧振環(huán)添加諧振環(huán)添加諧振環(huán)36912051015 VSWRFrequency(GHz)369120481216 VSWRFrequency(GHz)3.3 利用復合左右手傳輸線設(shè)計阻帶濾波器利用復合左右手傳輸線設(shè)計阻帶濾波器復合左右手結(jié)構(gòu)復合左右手結(jié)構(gòu)濾波器模型濾波器模型仿真與測試結(jié)果仿真與測試結(jié)果3.4 利用鐵氧體吸波材料設(shè)計定向天線利用鐵氧體吸波材料設(shè)計定向天線設(shè)計要求設(shè)計要求天線尺寸：直徑天線尺寸：直徑69 mm，長度，長度5

17、00 mm；幅值前后比：幅值前后比： 3；幅值時域方向圖幅值時域方向圖(E面，面，H面面)：30 ；拖尾信號：幅值比拖尾信號：幅值比 10:1，拖尾持續(xù)時間，拖尾持續(xù)時間 1T(脈寬脈寬)；饋電信號波形參數(shù)：脈寬饋電信號波形參數(shù)：脈寬 3 ns，二階高斯脈沖；，二階高斯脈沖；適用介質(zhì)環(huán)境：石灰?guī)r、花崗巖適用介質(zhì)環(huán)境：石灰?guī)r、花崗巖 設(shè)計方案設(shè)計方案a 發(fā)射天線仿真模型發(fā)射天線仿真模型b 發(fā)射天線實物照片發(fā)射天線實物照片c 定向鐵氧體天線仿真模型定向鐵氧體天線仿真模型d 定向鐵氧體天線實物照片定向鐵氧體天線實物照片圖圖6.2 全向發(fā)射、定向接收天線仿真計算模型及加工實物照片全向發(fā)射、定向接收天線

18、仿真計算模型及加工實物照片4 實驗作業(yè)實驗作業(yè)(1) 利用復合傳輸線設(shè)計利用復合傳輸線設(shè)計2通帶天線通帶天線通帶中心頻點位置、帶寬應滿足通帶中心頻點位置、帶寬應滿足FCC規(guī)范規(guī)范4.1 實驗實驗1作業(yè)作業(yè)(頻域頻域)(3) 利用開口環(huán)設(shè)計利用開口環(huán)設(shè)計3阻帶天線阻帶天線阻帶中心頻點位置、帶寬應滿足阻帶中心頻點位置、帶寬應滿足FCC規(guī)范規(guī)范(4) 利用開口環(huán)設(shè)計利用開口環(huán)設(shè)計3通帶濾波器通帶濾波器通帶中心頻點位置、帶寬應滿足通帶中心頻點位置、帶寬應滿足FCC規(guī)范規(guī)范(5) 利用開口環(huán)設(shè)計利用開口環(huán)設(shè)計3阻帶濾波器阻帶濾波器通帶中心頻點位置、帶寬應滿足通帶中心頻點位置、帶寬應滿足FCC規(guī)范規(guī)范(6) 利用等離