微波段新型人工電磁結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究.pdf

1、新型人工電磁結(jié)構(gòu)包括各種構(gòu)成人工電磁媒質(zhì)(如左手媒質(zhì)、電等離子體、磁等離子體、漸變電磁媒質(zhì)等)的基本單元以及由這些基本單元組成的周期/非周期結(jié)構(gòu)，是近年來(lái)國(guó)際物理界、電磁界、材料界的研究前沿和熱點(diǎn)，其研究?jī)?nèi)容分別于2003年和2006年兩次被《科學(xué)》雜志評(píng)為年度十大科技進(jìn)展之一。 本文從新型人工電磁結(jié)構(gòu)的電磁特性分析入手，提出了獲取等效媒質(zhì)參數(shù)及電路參數(shù)的兩種改進(jìn)方法。隨后研究了由人工電磁結(jié)構(gòu)組成的新型人工電磁媒質(zhì)的奇異特性——

2、凋落波放大，通過(guò)對(duì)多種媒質(zhì)組合的理論分析，導(dǎo)出了凋落波放大條件，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)不同應(yīng)用要求，提出了幾種新型的人工電磁結(jié)構(gòu)單元，將其分別應(yīng)用于新型微波器件及天線設(shè)計(jì)之中，研究設(shè)計(jì)了一系列具有新型特性和功能的微波器件與天線。最后研究了基于高介電常數(shù)介質(zhì)塊的諧振特性及等效媒質(zhì)參數(shù)，提出了具有機(jī)械可調(diào)功能的新型人工電磁結(jié)構(gòu)?；诖诵滦徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成了機(jī)械可調(diào)諧振器及波束可控的偏折和匯聚“透鏡”。 本文的主要工作包括

3、以下幾個(gè)方面： 1.提出了分別用于人工電磁結(jié)構(gòu)的等效媒質(zhì)及電路參數(shù)提取的兩種改進(jìn)方法，使之能更精確地獲得電磁分析及電路設(shè)計(jì)所需的等效媒質(zhì)參數(shù)及電路模型元件值。 2.基于不同媒質(zhì)組合，理論分析了凋落波放大機(jī)理及不同實(shí)現(xiàn)條件。先通過(guò)電路和電磁全波仿真驗(yàn)證了理論分析的止確性，隨后通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了凋落波的放大現(xiàn)象及放大特征。 3.結(jié)合所提出的改進(jìn)型參數(shù)提取方法，完成了凋落波放大的精確設(shè)計(jì)，為利用凋落波放大特

4、性設(shè)計(jì)新型微波器件或天線的研究提供了有效分析設(shè)計(jì)方法。 4.提出了新型自諧振式開(kāi)口諧振環(huán)、簡(jiǎn)化型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)及半封閉型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)等三種改進(jìn)的人工電磁結(jié)構(gòu)單元，分析了它們的電磁響應(yīng)特性，并獲取了其等效媒質(zhì)參數(shù)及等效電路模型。 5.結(jié)合所提出的三種新型人工電磁結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)完成了一系列具有更優(yōu)性能的微波器件，如諧振器、濾波器、分支耦合器、功分器、移相器等。 6.分析了新型人工電磁結(jié)構(gòu)在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)

5、用，設(shè)計(jì)了基于開(kāi)口諧振環(huán)及半封閉型復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的新型饋電網(wǎng)絡(luò)、基于新型開(kāi)口諧振環(huán)的天線輻射單元、以及基于等效折射率漸變媒質(zhì)的新型天線輻射背景。 7.研究了高介電常數(shù)介質(zhì)塊的自諧振及其電磁響應(yīng)特性，提出了一種介質(zhì)加載金屬柱的機(jī)械可調(diào)電磁結(jié)構(gòu)。分析了不同金屬柱長(zhǎng)度下的等效媒質(zhì)特性，并通過(guò)仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了同頻率點(diǎn)的電和磁雙諧振，進(jìn)而提取得到基于單個(gè)自諧振單元的等效負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。 8.將介質(zhì)加載金屬柱的機(jī)械可調(diào)人工