異向介質(zhì)特性及微波器件的設計畢業(yè)設計

1、<p><b>　　中國礦業(yè)大學</b></p><p><b>　　本科生畢業(yè)設計</b></p><p>　　姓 名： 張力 學 號： 23090907 </p><p>　　學 院： 信電學院 </p><

2、p>　　專 業(yè)： 電子科學與技術 </p><p>　　設計題目： 異向介質(zhì)特性及微波器件的設計 </p><p>　　專 題： </p><p>　　指導教師

3、： 職 稱： 教 授 </p><p>　　2013 年 6 月 北京</p><p>　　中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書</p><p>　　專業(yè)年級 學號 學生姓名 </p><p>　　任務下達日期： 2012 年 12 月 24

4、 日</p><p>　　畢業(yè)設計日期： 2012 年 12 月 30 日至 2013 年 6 月 5 日</p><p>　　畢業(yè)設計題目：異向介質(zhì)特性及微波器件的設計</p><p><b>　　畢業(yè)設計專題題目：</b></p><p>　　畢業(yè)設計主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　

5、(1) 查閱相關資料，了解國內(nèi)外異向介質(zhì)的研究現(xiàn)狀及最新進展，分析異向介質(zhì)的基本原理、結構特性及理論基礎。研究了電磁波在不同異向介質(zhì)中傳播所出現(xiàn)的不同特性；</p><p>　　（2）學習并掌握了運用HFSS軟件設計和仿真天線和濾波器；</p><p>　　(3)研究了異向介質(zhì)在微波天線和微波濾波器中的應用，利用異向介質(zhì)改進了多款微波天線和微波濾波器，并運用高頻仿真軟件HFSS對器件進行仿

6、真與優(yōu)化，提高了微波器件性能；</p><p>　?。?）翻譯與本題目有關的外文文獻；</p><p>　?。?）總結了異向介質(zhì)在微波器件中的應用和設計經(jīng)驗，撰寫論文。</p><p><b>　　指導教師簽字：</b></p><p><b>　　鄭 重 聲 明</b></p>&l

7、t;p>　　本人所呈交的畢業(yè)設計，是在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計的研究成果不包含他人享有著作權的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本論文屬于原創(chuàng)。本畢業(yè)設計的知識產(chǎn)權歸屬于培養(yǎng)單位。</p><p>　　本人簽名：

8、日期： </p><p>　　中國礦業(yè)大學 畢業(yè)設計指導教師評閱書</p><p>　　指導教師評語（①基礎理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：</p><p>　　成 績：

9、 指導教師簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p>　　中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書</p><p>　　評閱教師評語（①選題的意義；②基礎理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大?。虎苋〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意

10、答辯等）：</p><p>　　成 績： 評閱教師簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p>　　中國礦業(yè)大學 畢業(yè)設計答辯及綜合成績</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　異向介質(zhì)（meta

11、materials）是指具有負的介電常數(shù)和負的磁導率的人工合成電磁材料。已被美國《Science》雜志評為2003年度十大科技突破之一的異向介質(zhì)，憑借它奇特的性質(zhì)、較大的潛在利用價值和廣泛的應用前景，成為了當今物理學和電磁學研究領域的前沿和熱點。本文以異向介質(zhì)特性及其應用為研究對象，主要的工作包括以下幾個方面：</p><p>　　(1)概述國內(nèi)外異向介質(zhì)的研究現(xiàn)狀及進展，分析了異向介質(zhì)的基本原理、結構特性及理論

12、基礎。研究了電磁波在不同異向介質(zhì)中傳播所出現(xiàn)的不同特性；</p><p>　　(2)研究了周期細金屬棒陣列、分裂諧振環(huán)、互補分裂諧振環(huán)和復合左/右手傳輸線的結構特性及應用，簡單介紹了這些結構負的介電常數(shù)和負的磁導率出現(xiàn)的原因；</p><p>　　(3)研究了異向介質(zhì)在微波濾波器和天線中的應用，利用異向介質(zhì)設計了多款微波濾波器和天線，并運用高頻仿真軟件HFSS對器件進行了仿真與優(yōu)化。提高了

13、微波器件性能。</p><p>　　關鍵詞：異向介質(zhì)； 左手材料； 互補分裂諧振環(huán)； 異性介質(zhì)濾波器； 異向介質(zhì)天線</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Metamaterials are new structured materials with negative permittivity or nega

14、tive permeability or simultaneous negative ε and μ. The newly discovery of left-handed material has been regarded as one of the ten most significant discoveries by science in 2003. The successful realization of metamate

15、rials has garnered considerable attentions and discussions all over the world, and has been the front and focus area in physics and electromagnetic research. In this paper, some electromagnetic character</p><p

16、>　　(1) The present research status on metamaterials around the world and analysis of the theoretical and experimental basis of metamaterials are introduced. Comparing with the traditional material,detail description a

17、bout the wave reflection and transmission in some equivalent isotropy metamaterial models are made.</p><p>　　(2) The structure characteristics and applications of The Rod Array、Split Ring Resonator(SRR)、Comp

18、lementary Split Ring Resonator(CSRR) and Composited Right/Left -Handed (CRLH) are studied. At the same time, the reason of why those Structures have negative permittivity or negative permeability.</p><p>

19、　　(3) The application of metamaterials in microwave filters and antennas are studied. Metamaterials have been used to design to microwave filters and antennas, and using the high frequency simulation software calculates

20、the optimize results. The performance of microwave devices have been increased significantly.</p><p>　　Key words: Metamaterials; Left-Handed Materials; Complementary Split Ring Resonator(CSRR); Metamaterial

21、Filter; Metamaterial Antenna.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2課題在國內(nèi)外的研究概況1</p

22、><p>　　1.2.1異性介質(zhì)的研究概況1</p><p>　　1.2.2微波器件研究概況2</p><p>　　1.3高頻仿真軟件ANSOFT HFSS的介紹2</p><p>　　1.3.1 Ansoft HFSS簡介2</p><p>　　1.3.2建立HFSS工程的一般過程3</p>&l

23、t;p>　　1.4本文研究內(nèi)容3</p><p>　　1.4.1對異向介質(zhì)特性進行了研究3</p><p>　　1.4.2對異性介質(zhì)天線和濾波器進行了研究3</p><p>　　1.5論文的結構安排3</p><p>　　2 異向介質(zhì)基本特性5</p><p>　　2.1異向介質(zhì)的產(chǎn)生與發(fā)展5<

24、/p><p>　　2.2異向介質(zhì)特性的理論研究6</p><p>　　2.2.1左手螺旋特性6</p><p>　　2.2.2負折射現(xiàn)象7</p><p>　　2.2.3逆向多普勒效應7</p><p>　　2.3.1周期細金屬棒陣列的應用8</p><p>　　2.3.2分裂諧振環(huán)和互補

25、分裂諧振環(huán)的應用9</p><p>　　2.3.3復合左/右手傳輸線的應用10</p><p>　　3 異向介質(zhì)天線12</p><p>　　3.1天線基礎與定義12</p><p>　　3.1.1天線綜述12</p><p>　　3.1.2天線的基本性能參數(shù)12</p><p>　

26、　3.2微波天線的設計原理14</p><p>　　3.2.1天線的輻射機理14</p><p>　　3.2.2天線的場區(qū)和方向圖16</p><p>　　3.3異向介質(zhì)天線的設計與仿真分析18</p><p>　　4 異向介質(zhì)濾波器25</p><p>　　4.1微波濾波器的基本理論25</p>

27、;<p>　　4.1.1微波濾波器綜述25</p><p>　　4.1.2微波濾波器的基本性能參數(shù)26</p><p>　　4.2微波濾波器的設計原理27</p><p>　　4.2.1濾波器電路的微波實現(xiàn)27</p><p>　　4.2.2微波低通濾波器29</p><p>　　4.2.3微帶

28、帶通濾波器31</p><p>　　4.3異向介質(zhì)濾波器的設計與仿真分析34</p><p>　　5 總結與展望39</p><p><b>　　5.1總結39</b></p><p><b>　　5.2展望39</b></p><p><b>　　參考文

29、獻40</b></p><p><b>　　英文原文42</b></p><p><b>　　中文譯文48</b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

30、<p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　異向介質(zhì)（Mematerials）是21世紀物理學和電磁學領域一個新的詞匯，是指介電常數(shù)ε和磁導率μ中的全為負值的人工合成電磁材料，包括光子晶體、左手材料、復合左/右手傳輸線、隱身斗篷和超磁性材料等等。長期以來，人們認為異向介質(zhì)是一種具有天然材料所不具備的超長物理性質(zhì)的人工合成材料或復合材料[1]。電磁異向介質(zhì)是電磁學理論

31、發(fā)展史上的重要事件，為經(jīng)典電磁理論開辟了嶄新的研究空間，其重大的科學意義及巨大的應用前景對未來通信、雷達、國防、微電子、醫(yī)學成像等科技和社會發(fā)展將產(chǎn)生極重要的影響。</p><p>　　1.2課題在國內(nèi)外的研究概況</p><p>　　本課題研究的主要致力于以下三個方面：異性介質(zhì)特性的簡單研究、異性介質(zhì)在微波濾波器中的應用和異向介質(zhì)在微波天線中的應用。隨著異向介質(zhì)研究的不斷發(fā)展，其特殊性能

32、的不斷開發(fā)，越來越多的專家學者對基于這種新生材料的微波系統(tǒng)中濾波器與天線的設計產(chǎn)生了濃厚的興趣，不斷推動了微波通信領域的發(fā)展與創(chuàng)新。</p><p>　　1.2.1異性介質(zhì)的研究概況</p><p>　　早在1968年，前蘇聯(lián)科學家Veselago便提出預言[2]，在同時具有負介電常數(shù)和負磁導率的材料中傳播電磁波，相位的傳播方向和能量的傳播方向相反。在普通介質(zhì)中麥克斯韋方程確定了一個關于電

33、場強度E、磁場強度H和波矢量K之間的右手規(guī)則。但是當折射率為負值時，波矢量方向與能量方向相反，E、H、K形成左手規(guī)則，即異向介質(zhì)的一種，左手材料。</p><p>　　最近20年來，異向介質(zhì)的研究迅速成為了國際上的一個研究熱點，雖然異向介質(zhì)這一新的觀念尚未被科學界特別是材料學界完全接受，但作為一種材料設計理念，已開始被越來越多的學者所關注。更為重要的是，它的出現(xiàn)給人們在世界觀層面上帶來巨大的沖擊，昭示可以在不違背

34、基本物理學規(guī)律的前提下，人工獲得與自然媒介迥然不同的超常物理性質(zhì)的新媒介。</p><p>　　1.2.2微波器件研究概況</p><p>　　微波器件即工作在300~300000MHz微波波段的器件，按其功能可分為微波振蕩器、功率放大器、微波天線、微波濾波器、微波傳輸線等等，文中我們主要討論微波電路中天線和濾波器的基本原理及設計方法。微波濾波器和天線早已在微波通信、雷達導航、電子對抗等微

35、波系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。</p><p>　　電磁波的運動規(guī)律遵從19世紀給出的麥克斯韋的理論，麥克斯韋是對法拉第等前人的實驗成果的總結和發(fā)展。六十年代以后，利用動態(tài)控制原理制成的普通微波管的發(fā)展日趨成熟，科技、軍事、工業(yè)和民用的要求越來越高，消費市場不斷擴大，微波電子管工業(yè)仍在不斷發(fā)展。此外，基礎科學研究的發(fā)展和工藝技術的不斷突破，新概念、新原理、新結構、新工藝、新管種不斷出現(xiàn)，微波電子學和微波器件正向新的高

36、度和新的領域迅速發(fā)展，這種發(fā)展集中表現(xiàn)在以下幾個方面：1.高性能、高可靠和長壽命；2.固態(tài)微波電子學和微波固態(tài)器件；3.毫米波和亞毫米波器件；4.微波與光波結合技術及其應用；5.微波真空微電子器件和電路。</p><p>　　微波器件的發(fā)展歷史是豐富多彩的，微波電子學與微波器件的含義與科學領域已遠遠超越三十年代或五十年代的真空微波的范疇而更加寬廣、水平更高了。微波器件的應用遠遠超過發(fā)展初期的狹隘領域，并以進入尋常

37、百姓家。</p><p>　　1.3高頻仿真軟件Ansoft HFSS的介紹</p><p>　　1.3.1 Ansoft HFSS簡介</p><p>　　Ansoft公司是全球領先的電子設計自動化軟件商，成立于1984年，全波有限元算法和自適應網(wǎng)格剖分技術構成了Ansoft公司在電磁場仿真領域的兩大核心競爭力。</p><p>　　作為A

38、nsoft公司的招牌產(chǎn)品，HFSS(High Frequency Structure Simulator)是針對任意三維結構進行電磁場仿真的全波有限元軟件，能快速、精確、可靠的計算高頻高速器件的電氣性能，本課題主要應用HFSS計算高頻電磁器件的電磁場分布、元器件的S參數(shù)、天線輻射特性、電磁波吸收比率、時域反射和時域傳輸。</p><p>　　HFSS軟件對于研究對象的離散化采用四面體和三角形網(wǎng)絡剖分，對結構有廣泛

39、的適應性，使用HFSS仿真軟件成為工程化的仿真工具，確保了求解的可靠性，能夠在求解精度和求解速度上獲得最佳均衡。</p><p>　　1.3.2建立HFSS工程的一般過程</p><p>　　（1）運行Ansoft HFSS；</p><p>　　（2）點擊新建按鈕，在當前工程中插入一個設計；</p><p>　?。?）選擇求解類型，Driv

40、en Modal、Driven Terminal或者Eigenmode；</p><p>　　（4）為建立模型設置合適大單位，通常選擇單位為mm；</p><p>　?。?）在3D窗口中建立模型；</p><p>　?。?）設置需要的輻射邊界；</p><p>　?。?）若果選擇激勵求解或激勵終端求解，則需要為模型設置激勵；</p>

41、;<p>　　（8）設置求解頻率及掃頻等操作；</p><p>　　（9）點擊“ ”按鈕，檢查當前工程的有效性；</p><p>　?。?0）點擊“ ”按鈕，運行當前工程；</p><p>　?。?1）對已求解的工程創(chuàng)建結果報告。</p><p><b>　　1.4本文研究內(nèi)容</b></p>

42、;<p>　　1.4.1對異向介質(zhì)特性進行了研究</p><p>　　首先，研究了異向介質(zhì)的左手螺旋特性、負折射率現(xiàn)象和逆向多普勒效應。并給出了這些異常性質(zhì)的產(chǎn)生原理及結論的簡單推導過程。</p><p>　　其次，對異向介質(zhì)中的典型結構，細金屬棒陣列、分裂諧振環(huán)、互補分裂諧振環(huán)以及復合左/右手傳輸線的工作原理進行了闡述，并給出了這些結構的典型應用。</p>&

43、lt;p>　　1.4.2對異性介質(zhì)天線和濾波器進行了研究</p><p>　　介紹了天線和濾波器的基本理論，主要性能參數(shù)以及微波天線和濾波器的設計原理，分別應用互補分裂諧振環(huán)、交指型結構、缺陷地結構、復合左/右手傳輸線結構設計了新型的微波天線和濾波器，并給出了仿真結果。</p><p>　　1.5論文的結構安排</p><p>　　本文圍繞異向介質(zhì)特性及其在微

44、波器件中的應用展開研究，共分為5個章節(jié)，各章的主要內(nèi)容如下:</p><p>　　第一章：概述異向介質(zhì)特性的研究背景，異向介質(zhì)和微波器件在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，介紹高頻仿真軟件HFSS的基本性能及操作原理。簡單介紹本文的研究工作和結構安排。</p><p>　　第二章：簡要說明異向介質(zhì)的產(chǎn)生與發(fā)展進行，重點進行異向介質(zhì)特性的分析與研究，并指出異向介質(zhì)在物理學、電磁學等學科領域中的應用

45、。</p><p>　　第三章：闡述天線的定義及基本原理，進行微波天線設計原理的論述與總結，最后進行新型異向介質(zhì)天線的設計、仿真與結果優(yōu)化。</p><p>　　第四章：闡述微波濾波器的基本理論與設計原理，并應用高頻仿真軟件HFSS進行新型異向介質(zhì)濾波器的設計、仿真與結果優(yōu)化。</p><p>　　第五章：總結整個研究內(nèi)容，并對后續(xù)工作進行展望。</p>

46、<p>　　2 異向介質(zhì)基本特性</p><p>　　2.1異向介質(zhì)的產(chǎn)生與發(fā)展</p><p>　　直到1996年和1999年，英國物理學家J.B.Pendry等相繼利用周期性的金屬線陣列實現(xiàn)了負的介電常數(shù)[3]，利用周期性的分裂諧振環(huán)（SRR）實現(xiàn)了負的磁導率[4]，科學家用這兩種巧妙的人工合成結構創(chuàng)造了自然界尚未被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，這兩種巧妙結構的提出打破了異向介質(zhì)研究領域三

47、十年的沉寂，使異向介質(zhì)開始受到各領域?qū)W者的關注。</p><p>　　圖2.1 Smith等人研制的具有雙負特性的左手材料異向介質(zhì)模型</p><p>　　2000年，根據(jù)科學家Pendry等人研究成果，美國加州大學圣地亞哥（University of Califonua at SanDiego,UCSD）分校的Smith等物理學家研制了一種以銅為主要成分的復合材料。這種材料實現(xiàn)了負介電

48、常數(shù)的金屬帶和負磁導率的金屬環(huán)形諧振器的有效結合，達到了在某一頻率范圍內(nèi)同時實現(xiàn)負的介電常數(shù)和負的磁導率的目的。這一研究成果宣告了世界上第一塊左手材料的問世[5]，如圖1.1所示。隨后，實驗小組又通過實驗成果驗證了光線的負折射現(xiàn)象。左手材料研究成果于2001年被發(fā)表在美國《Science》雜志上，并于2003年被此雜志列為十大科學進展之一。從此異性介質(zhì)受到人們廣泛關注，使得異向介質(zhì)的研究站在了世界科研前列，引領了電磁學、物理學、材料學等

49、多個學科領域新的發(fā)展。</p><p>　　2000年Pendry提出了“完美透鏡”理論[6]，他將異向介質(zhì)制成平板，通過實驗驗證了此平板可以對波源發(fā)出的電磁波進行聚焦成像，在平板內(nèi)部和外側產(chǎn)生焦點。在成像平面，其焦點處的電磁波幅度大小恰好同波源處的幅度大小完全一致，電磁場的所有成分都將無損失地參與成像，克服了傳統(tǒng)透鏡的波不能會聚到小于波長范圍內(nèi)的限制。</p><p>　　2002年6月

50、，美國UCLA大學Itoh研究組和加拿大多倫多大學Eleftheriades研究組幾乎同時提出了一種基于LC網(wǎng)絡實現(xiàn)異向介質(zhì)的新方法[7-8]，它是繼分裂諧振環(huán)之后實現(xiàn)介質(zhì)雙負特性的第二種方法。與原結構相比，此結構有效拓寬了頻帶，降低了損耗，無疑擴展了異向介質(zhì)的應用范圍。</p><p>　　以上內(nèi)容均為科學家以異向介質(zhì)物理結構為研究重點得出的科研成果，于此同時，也有一部分學者致力于異向介質(zhì)反常特性的研究。從Ve

51、selago預言的左手材料逆多普勒效應、負折射率現(xiàn)象以及逆Cerenkov效應等等開始，異性介質(zhì)特性的神秘面紗便不斷別揭開。</p><p>　　2002年，J.A.Kong等人驗證了左手材料中Goos_Hanchen偏移逆向[11]。2005年，M.Tomasz等人發(fā)現(xiàn)了異向介質(zhì)媒介中逆向的臨界角和布魯斯特角[12]。2006年，英美兩國科學家使用左手材料設計方法并利用其能是電磁波隱身的說法，成功設計了梯度異向

52、介質(zhì)，實現(xiàn)了“隱身斗篷”的功能[9-10]。所謂“隱身斗篷”即在物體表面包裹一種具有一定數(shù)值的負的介電常數(shù)和負的磁導率的異向介質(zhì)，這時當電磁波照射在上面的時候，電磁波將被彎曲并繞過物體繼續(xù)傳播，從而使物體出現(xiàn)隱身的效果。此“隱身”效果的應用為電磁信號避開干擾，增強其準確性和完整性提供了新的方法。</p><p>　　近年來，國內(nèi)外專家對異向介質(zhì)結構及特性的研究都非常重視，完善原有理論的同時又在不斷擴展著新的思路和

53、方向。</p><p>　　2.2異向介質(zhì)特性的理論研究</p><p>　　任何一門技術，只有有了先進理論的支撐才會有更好、更長遠的發(fā)展，異向介質(zhì)也不例外。從1968年異向介質(zhì)理論雛形的曇花一現(xiàn)到21世紀成為科學界的領跑者，異向介質(zhì)的奇異特性已不斷被挖掘，其支撐理論也在不斷走向成熟。</p><p>　　2.2.1左手螺旋特性</p><p&g

54、t;　　通過對電磁波的麥克斯韋方程組進行析我們得到：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　(2.2) </p><p>　　其中為介質(zhì)的磁導率，為介質(zhì)的介電常數(shù)，為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。由于變化的電場和變化的磁場是相互伴隨、共同前進的，他們的傳播方向永遠正交，所以。

55、將式(1)和式(2)兩邊對應相乘可得，由于分別代入原式可得：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　可見,當,時，電場強度E,磁場強度H,波矢量之間滿足右手螺旋關系，即伸開右手，四指從電場E的方向沿90°角彎向磁場H的方向，大拇指的方向就是波矢量𝛋的方向。但是，我們所研究的異向介質(zhì)是以負的介電常數(shù)和負的磁導率為前

56、提條件的，即,，那么此時電場強度E,磁場強度H,波矢量之間滿足左手螺旋關系。但是坡印廷矢量S與電場磁場三者任然滿足右手螺旋關系，因此，在,的自然介質(zhì)中，波矢量與坡印廷矢量S是相互平行的，而在,的異向介質(zhì)中波矢量與坡印廷矢量S是反向平行的。</p><p>　　2.2.2負折射現(xiàn)象</p><p>　　當介質(zhì)磁導率和介電常數(shù)都小于零時，波矢量 與坡印廷矢量S方向相反，則，即 ，折射率。由于開

57、根號可能得到正負兩種解，因而對于折射率n的取值也有正負兩種情況。由于波矢量 和折射率n取小于零的解并不違背經(jīng)典的電磁學理論，因而折射率也是合理的，而且科學家們已通過實驗看到了電磁波的負折射現(xiàn)象。異向介質(zhì)中折射率、磁導率和介電常數(shù)之間的關系表達式為</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　利用異向介質(zhì)負折射率的特性，可制作出與原透鏡完全相反的

58、透鏡，即異性介質(zhì)凸透鏡相當于常規(guī)介質(zhì)凹透鏡，對光線有發(fā)散作用；異向介質(zhì)凹透鏡相當于常規(guī)介質(zhì)凸透鏡對光線有會聚作用。</p><p>　　2.2.3逆向多普勒效應</p><p>　　逆多普勒效應是左手材料的一個重要特性，在左手材料中所觀測到的頻率的變化與常規(guī)介質(zhì)中的效應正好相反。多普勒效應是指若果波源和觀測者之間存在著相對運動，那么觀測到的頻率和波長將會發(fā)生變化。在常規(guī)介質(zhì)中，當觀測者朝著

59、波源運動時，觀測者所觀測到的頻率要高于波源的震動的頻率，屬于多普勒效應；在左手材料中，同樣當觀察者朝著波源運動時，觀察者所測得的頻率要低于波源震動的頻率，這就是逆多普勒效應。</p><p>　　2003年，英國BAE公司C.Luo等人在《Science》雜志上發(fā)表文章，報道了一種可以產(chǎn)生逆多普勒效應的電子裝置，引起了科學界的轟動[13]。逆多普勒效應有著廣泛的應用前景，逆多普勒效應可制備小型化、價格低廉、能夠產(chǎn)

60、生千兆赫茲高頻電磁脈沖的裝置。世界各地的研究人員正在研究用于材料非破壞性實驗的千兆赫茲系統(tǒng)。傳統(tǒng)千兆赫茲發(fā)生器不僅笨重，而且價格昂貴，產(chǎn)生的頻帶較窄，左手材料的逆多普勒效應有望對該領域產(chǎn)生革命性的影響。2.3異向介質(zhì)的應用</p><p>　　從上文不難看出，異向介質(zhì)研究的真正起步僅有短短幾年，但是隨著科學家們不懈的努力和深入的研究，異向介質(zhì)的應用領域在不斷擴展，相信在不久的將來，必將有很多耳目一新的研究成果呈

61、現(xiàn)給大家。本小節(jié)主要介紹了和總結了微波系統(tǒng)中異向介質(zhì)的應用。</p><p>　　2.3.1周期細金屬棒陣列的應用</p><p>　　細金屬棒陣列式最早發(fā)現(xiàn)具有負介電常數(shù)的人工合成結構，早在1953年，細金屬棒陣列就被嵌入到媒介中用于合成微波人造介質(zhì)[21]。1996年，Pendry等人首次通過細金屬棒的周期排列實現(xiàn)了介質(zhì)負介電常數(shù)的特性。周期細金屬棒陣列結構如圖2.1所示。</p

62、><p>　　圖2.2周期細金屬棒陣列結構</p><p>　　假定金屬棒沿Z軸方向延長，其半徑為r，在x和y方向上的間距為a，其中a>>r。由于金屬棒很細，電感比較大，因此細金屬棒中的電流值幾乎不會受到影響，另外，細金屬棒每個周期單元的電通量基本是均勻分布的，加之細金屬棒區(qū)域存在電流而其他部分不存在電流，導致電磁場的分布很不均勻，越靠近金屬棒區(qū)域磁場越大。根據(jù)麥克斯韋方程和邊界條

63、件可推導出其等效介電常數(shù)計算式為：</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　其中為諧振頻率。 為等離子體頻率。因此可以通</p><p>　　過調(diào)整金屬棒周期性尺寸及其粗細，在所需的頻段內(nèi)實現(xiàn)負的介電常數(shù)。細金屬棒的周期尺寸遠遠小于工作波的波長，所以由該結構構成的介質(zhì)在其工作頻段內(nèi)可以看做是均勻的人

64、工制造介質(zhì)，由于磁場對金屬細線的作用是基本可以忽略的，因此其磁導率可近似視為常數(shù)。</p><p>　　綜上所述，細金屬棒利用了電磁場在金屬棒上產(chǎn)生的感應電動勢使細金屬棒上正負電荷分別向兩邊聚集，從而產(chǎn)生與外來電場反向的電動勢，以產(chǎn)生等離子效應，從而實現(xiàn)在某一頻段負的介電常數(shù)。</p><p>　　2.3.2分裂諧振環(huán)（Split Ring Resonator, SRR）和互補分裂諧振環(huán)（

65、Complementary Split Ring Resonator, CSRR）的應用</p><p>　　早在1950年，一些研究人員發(fā)現(xiàn)不同形狀的環(huán)或類似環(huán)形的結構在某個頻段呈現(xiàn)負磁導率的現(xiàn)象，并將其用于構造微波頻段的手性材料[14]。1999年，由J.B.Pendry等人正式提出了在某些頻段能產(chǎn)生磁等離子體效應，并能實現(xiàn)負磁導率特性的開路電流環(huán)諧振器，即我們所說的分裂諧振環(huán)SRR。SRR結構的平面示

66、意圖如圖2.3所示，SRR中磁場感應電流如圖2.4所示。</p><p>　　(a) (b)</p><p>　　圖2.3 SRR平面結構(a.環(huán)形SRR結構b.方形SRR結構)</p><p>　　圖2.4 SRR結構中磁場感應電流示意圖</p><p>　　對于圓形分裂諧振環(huán)，需要指出

67、的是，初期的SRR結構為縱向尺度無窮大的柱體，在橫向兩個方向上周期排列。但是，由于縱向尺寸的無限長不易實現(xiàn)，而且實現(xiàn)磁場進入柱體內(nèi)部的情況難度也很大，所以，經(jīng)過學者研究，找到了一種更簡單的方法來構造SRR結構，便為圖2.3(a)所示結構。這種結構的單元是由厚度很小，有一定寬度的金屬薄環(huán)組成的，易于實現(xiàn)，同時還可達到在空間上二維、三維的排列來實現(xiàn)各項同性的磁等離子體的目的。</p><p>　　SRR結構不僅在制作

68、反向波導定向耦合器以及電磁波隱形中有著極其重要的應用，而其，在微波天線和濾波器的制造中也發(fā)揮著不可替代的作用，有效的解決了微波器件的小型化高性能之間的矛盾，天線的高指向性設計的技術難題等微波領域的疑難雜癥。</p><p>　　實現(xiàn)高指向性輻射的傳統(tǒng)方法是利用法布里—珀羅 (Fabry-Perot,FP)腔，F(xiàn)P腔的厚度必須精確為工作波長的一半[15]。隨著科技的發(fā)展，左手材料的問世，為其提供了新方法，法國S.E

69、noch等人指出：當介質(zhì)的折射率接近零時，根據(jù)相位匹配條件，放置在介質(zhì)中的全向天線向自由空間中輻射的電磁波主要集中在介質(zhì)—空氣界面的法線方向上，并通過實驗證實了結論的準確性[16]。現(xiàn)今，已有許多學者發(fā)現(xiàn)折射率近乎零的平板天線具有高指向性輻射的特性[17-20]。</p><p>　　本文將在后續(xù)章節(jié)詳細介紹基于分裂諧振環(huán)和互補分裂諧振環(huán)的微波濾波器與天線的設計原理和仿真結果。</p><p&

70、gt;　　2.3.3復合左/右手（Compasite Right/Left-Handed,CRLH）傳輸線的應用</p><p>　　微帶線結構的左/右手傳輸線上在微波濾波器和天線中的應用已經(jīng)被越來越多的學者所認同，此種結果的使用在帶寬和損耗方面都遠遠優(yōu)于由負的介電常數(shù)和負的磁導率結果簡單復合的其他材料。從某種意義上講，復合左/右手傳輸線結構是異向介質(zhì)的傳輸線實現(xiàn)形式，所以復合左/右手傳輸線具有異向介質(zhì)的奇異特性

71、。目前，復合左右手傳輸線由于它奇異的特性和潛在應用價值已吸引了廣大國內(nèi)外研究學者的目光。</p><p>　　圖2.5復合左/右手傳輸單元模型示意圖</p><p>　　復合左/右手傳輸線是一種既能呈現(xiàn)左手特性又能呈現(xiàn)右手特性的傳輸線。當電磁波在該傳輸線中傳播時，在某個頻率范圍內(nèi)，介電常數(shù)和磁導率同時為負值，電場、磁場、波矢量三者之間服從左手定則，即該傳輸線的傳播特性為左手特性；而在其他頻

72、率范圍內(nèi)，介電常數(shù)和磁導率同時為正值，電場、磁場、波矢量三者之間服從右手定則，即傳輸線的傳播特性為右手特性。復合左/右手傳輸單元模型示意圖如圖2.5所示。</p><p><b>　　3 異向介質(zhì)天線</b></p><p>　　3.1天線基礎與定義</p><p><b>　　3.1.1天線綜述</b></p>

73、;<p>　　天線是一臺裝置，它為輻射和接受無線電波提供了手段，其功能是把傳輸結構上的波導轉(zhuǎn)換成自由空間波（在接收時正好相反）。這樣，信息可以在異地間傳輸而不需要任何中介結構。</p><p>　　天線的種類繁多，一般常用的天線結構為線天線、環(huán)天線、(反射)面天線、喇叭天線、介質(zhì)天線微帶天線和裂縫天線等，但它們所遵循的電磁場基本原理確是相同的。研究天線問題的實質(zhì)在于天線所產(chǎn)生的空間電磁場分布以及由這

74、種分布所決定的天線的各種性質(zhì)。求解天線問題的實質(zhì)在于求解滿足特定邊界條件的麥克斯韋方程組的解。由于嚴格求解天線問題的復雜性和高難度，因此對于具體天線問題的求解往往將其條件理想化，采取近似處理的方法來獲取所需的理想結果。</p><p>　　異性介質(zhì)在微波天線中的應用更是有效的擴展了天線技術的發(fā)展空間和應用前景。它有利于天線的集成和一體化設計，可以明顯的改善天線的輻射特性。其具體應用方法及實例設計將在下文中具體介紹

75、。</p><p>　　3.1.2天線的基本性能參數(shù)</p><p>　　對于天線來說，研究人員最關心的是它的輻射場。通常情況下，天線是有方向性的，也就是說天線對空間中不同方向上的輻射和接收效果是不同的。以發(fā)射天線為例，天線輻射的能量在某些方向上會很強，某些方向上則很弱，而在其它方向上則為零。在天線的設計和應用中，其方向性是主要考慮的因素之一。</p><p>　　

76、另外，任何天線都會有一定的增益，一定的帶寬，一定的輸入阻抗，一定的效率等各種參量。下面，本文將對天線的幾種基本性能參數(shù)進行介紹。</p><p>　?。?）輻射方向函數(shù)：F（θ，Ф），給出了天線發(fā)射時離天線固定的距離上輻射隨角度的變化，輻射以與天線相距固定距離r處的功率密度S來定量表示，形象的描述了天線的輻射場在空間的分布情況。</p><p>　?。?）方向性系數(shù)D：在距天線同一距離上，

77、方向圖最大點的功率密度與平均密度之比。它表示定向天線在最大輻射方向上，輻射能量的集中程度，是大于等于1的無量綱比值。方向性系數(shù)的表達式為:</p><p><b>　　(3.1) </b></p><p>　　（3）增益系數(shù)G：天線在其最大輻射方向上遠場某點的功率密度與輸入功率相同的無方向性天線在同一點產(chǎn)生的功率密度之比。增益系數(shù)的表達式為：</p>&

78、lt;p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　增益系數(shù)也可定義為，在天線最大輻射方向上某點產(chǎn)生相等電場強度的條件下，理性的無方向性天線所需的輸入功率Pino與某天線所需要的輸入功率Pin之比，即</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　?。?）效率因子K：增益和方向性系數(shù)之比

79、，我們定義為效率因子。此關系可表示為： (3.4)</p><p>　　其中，效率因子K取值范圍為{K,0≤K≤1},是無量綱的。</p><p>　?。?）輻射效率ηr：輻射功率與輸入到天線上的功率（輸入功率）之比，表征天線能否有效的轉(zhuǎn)換能量。輻射效率的表達式為：</p><p>&

80、lt;b>　　(3.5)</b></p><p>　　其中，PL表示天線的總損耗功率。通常，發(fā)射天線的損耗功率包括天線導體中熱損耗、介質(zhì)材料的損耗、天線附近物體的感應損耗等[22]。如果把天線向，外輻射的功率看做是被某個電阻Rr所吸收，該電阻稱為輻射電阻。與此相似，也把總損耗功率看作是被某個損耗電阻RL吸收，則有：</p><p><b>　　(3.6)<

81、/b></p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　故天線的輻射效率還可以表示為： </p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　（6）輸入阻抗Zin：天線輸入端的高頻電壓與輸出端的高頻電壓之比。天線與饋線相連時，為使天線能從饋線獲得最大的功率，

82、就必須使天線和饋線良好匹配，即要使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗相等。輸入阻抗的表達式為：</p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　(7)極化:當天線發(fā)射時，所發(fā)射的瞬態(tài)電場矢量隨時間變化的軌跡圖，它是描述天線輻射電磁波空間指向的參數(shù)。天線極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。在空間某個位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場在空間的指向隨時間變

83、化所描述出的軌跡如果是一條直線，則為線極化；如果是一個圓，則稱為圓極化；如果是一個橢圓，則稱為橢圓極化。圓極化是特殊的橢圓極化。</p><p>　　（8）帶寬：指天線重要參數(shù)合格的頻率變化范圍。電線的帶寬與天線的其他重要參數(shù)密切相關，不同的天線參數(shù)，如效率、輸入阻抗、增益、極化等往往對應不同的帶寬。通常，取其中較窄的一個作為整個天線的帶寬。</p><p>　　3.2微波天線的設計原理&

84、lt;/p><p>　　3.2.1天線的輻射機理</p><p>　　天線的基本理論基于麥克斯韋方程組，天線的基本功能是輻射電磁波，那么天線是如何輻射電磁波的呢？關于這個問題，我們還要從天線的基本理論說起。</p><p>　　圖3.1電磁波的輻射</p><p>　　麥克斯韋方程組表明：在空間某一定區(qū)域內(nèi)（空間和時間）變化的電場，會在臨近的區(qū)域

85、產(chǎn)生變化的磁場；變化的磁場又會在較遠的區(qū)域引起新的變化的電場，接著又在更遠的區(qū)域引起變化的磁場，如此循環(huán)。這種由近及遠，交替引起電場和磁場的過程就是電磁波的輻射過程。如圖3.1所示。</p><p>　　電磁波的輻射也是一種擾動，就像一顆石子投入平靜的水中所激起的瞬態(tài)波動，在石子消失后很長時間，從石子投入點出發(fā)的水表面的波動不停的沿徑向傳播。如果引起波動的源有規(guī)律的存在，就會建立起有規(guī)律的波動，而輻射也會持續(xù)下去

86、，天線就是提供電磁波波動的源。</p><p>　　下面，我們將以圖3.2所示振蕩偶極子為例，簡述電磁輻射產(chǎn)生的過程。</p><p>　　圖3.2電流源上的交流電</p><p>　　在一小段電流源上加交變電壓（設為正弦交流電），設電荷正弦變化</p><p><b>　　(3.10)</b></p>&

87、lt;p>　　其中Q是電荷最大值。由電荷求得電流</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p><b>　　式中I為電流振幅。</b></p><p>　　在第一個T/4，電流元兩端電荷逐漸增加，電流逐漸減小，電場逐漸增強，并隨時間推移向外移動。運動的電場會產(chǎn)生磁場，磁場的方向由右手螺旋定則確定，

88、因此，該磁場方向與正在減小的電流所產(chǎn)生的磁場方向相同。在t= T/4時刻,電流等于零，磁場卻依然存在，它是脫離了電場的磁場。在第二個T/4，電荷逐漸減小，與之相關聯(lián)的電場也逐漸減小和消失，但是電流卻在反方向增強，由此產(chǎn)生的磁場增強。這個增強的磁場在向外的運動中產(chǎn)生電場，這個電場與原來的電場方向相反但不在同一個位置，因為原來的電場隨時間推移已經(jīng)向外推進了一段距離。在t= T/2時刻，反向電流最大，磁場也最強，它在向外運動中產(chǎn)生的電場不會隨

89、電荷的消失而消失，反而與原來已經(jīng)向外移動的電場力線連接起來形成閉合的電力線環(huán)，于是形成了脫離電荷的電場。隨著時間的推移，在第三個和第四個T/4時間段里面，電場、磁場的輻射將重復上述過程，只是電力線所顯示的電、磁場方向和上半周期的相反。在一個周期內(nèi)，脫離電流源而輻射的電磁場是兩層閉合的電力線盒和磁力線環(huán)。時刻t= T時刻，沿以電流元為中心，從內(nèi)層電力線盒的內(nèi)壁至外層電力線盒的外壁，恰好經(jīng)歷一個波長。電磁場以此為周期循</p>

90、<p>　　那么在實際工作中，天線是怎樣獲得如圖3.2所示的正弦電流分布從而產(chǎn)生電磁輻射的呢？</p><p>　　對此問題的分析我們從開路線入手。根據(jù)傳輸線知識，終端開路的雙導線上電壓、電流呈駐波分布，導線終端電流為零，離開終端每半個波長為電流節(jié)點，兩導線上電流方向相反，所有的場在導線之間加強在其它地方減弱，電磁場能量沿雙導線傳播，注意前提條件是導線之間的距離遠小于波長，沒有電磁輻射產(chǎn)生。如果導線向

91、外彎曲，彎曲段長度為1/4波長，導線上電流分布近為正弦分布，因此長生上文分析的電磁輻射。</p><p>　　綜上所述，影響電磁輻射產(chǎn)生和提高電磁輻射強度的因素有三個：</p><p>　　(1)波源的頻率。波源的頻率也就是被輻射電磁波的頻率。電磁波的輻射依靠變化的電場和變化的磁場相互轉(zhuǎn)化，因而變化的快慢決定場強的強弱，同時決定輻射能量的多少。靜電場和恒定電流的磁場不隨時間變化，即頻率為零

92、，根本沒有輻射。低頻的電磁場變化緩慢，輻射也很小。所以不能將音頻或視頻的信號直接饋送給天線，而必須通過調(diào)制，采用高頻“攜帶”的辦法，這樣才能解決有效輻射的問題。</p><p>　　(2)天線的幾何結構。不同幾何結構的天線其輻射能力是不同的。例如平行雙導線或平行板，即使波源頻率再高，也不能輻射電磁波，以外它的電磁場被束縛在導線或平板間。若將雙導線或平行板張開，形成開放性結構，將電磁場暴露在空間，才能產(chǎn)生電磁輻射，

93、而且隨著結構的張開程度，輻射能力也將增強。</p><p>　　(3)天線上的電流分布。天線的定向輻射能力隨天線上的電流分布不同而不同。</p><p>　　3.2.2天線的場區(qū)和方向圖</p><p><b>　?。?）天線的場區(qū)</b></p><p>　　圍繞著天線的場可劃分為兩個主要的區(qū)域[25]，接近天線的區(qū)域

94、稱為進場或者菲涅耳(Fresnel)區(qū),離天線較遠的稱為遠場或者夫瑯和費(Fresnelaunhofer)區(qū)。如圖3.3所示，兩區(qū)分界可取為半徑</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　式中L為天線的最大尺寸，單位m，λ為波長單位m。</p><p>　　圖3.3天線區(qū)、近場區(qū)、遠場區(qū)示意圖</p>

95、<p>　　在遠場區(qū)，測得場分量處在輻射方向的橫截面內(nèi)，所有功率流都是沿徑向朝外的。全部是輻射功率，遠場還有一個特征，那就是圍繞天線的角向分布即輻射方向圖與離天線的距離無關。</p><p>　　在近場區(qū)，電場有顯著的徑向分量，其功率流比不完全是徑向的，場波瓣圖通常依賴于距離。近場區(qū)中的虛功率密度由天線輸入阻抗的電抗分量表示出來，如果天線結構上的歐姆損耗可以忽略，那么輸入阻抗的實部就代表輻射。與輻射相關

96、的功率密度到處存在，而且穿越過近場。</p><p>　　對于半波長偶極子天線，某一瞬間的能量存儲于接近天線末端即最大電荷為主的電場中，經(jīng)半周期的轉(zhuǎn)換之后，又存儲于接近天線中心即最大電流區(qū)為主的磁場中。</p><p><b>　?。?）天線的方向圖</b></p><p>　　天線的輻射方向圖簡稱方向圖，是方向函數(shù)F (θ，Ф) 的圖示。方向

97、圖形象、直觀，彌補了方向函數(shù)抽象、晦澀的不足。復雜的天線系統(tǒng)往往找不到較準確的方向函數(shù)表示，此時必須借助測量得到的數(shù)據(jù)繪出方向圖，已了解天線的輻射特性。 </p><p>　　如圖3.4天線方向圖的一般形狀</p><p>　　實際天線的方向圖通常有多個波瓣，它可細分為主瓣、副瓣和后瓣[24]，如圖3.4所示。用來描述輻射圖參數(shù)主要有：零功率點波瓣寬度(Beam Width b

98、etween First Nulls, BWFN) 2θ0E或2θ0E(下標E、H表示E面或H面，下同)，指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角；半功率電波瓣寬度(Half Power Beam Width, HPBW) 2θ0.5E或2θ0.5H，指主瓣最大角兩邊場強等于最大值的0.707倍或等于最大功率密度的一半的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度。如果天線的方向圖只有一個強的主瓣，其他副瓣均較弱，則它的定向輻射性能的強弱就

99、可以從兩個主平面內(nèi)的半功率點波瓣寬度來判斷；副瓣電平(Side Lobe Lever,SLL)，指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示。副瓣一般指向不需要輻射的區(qū)域，因此要求副瓣電平盡可能的低；前后比，指主瓣最大值與副瓣最大值之比，通常也用分貝值表示。</p><p>　　3.3異向介質(zhì)天線的設計與仿真分析</p><p>　　異向介質(zhì)的后向波特性使得它在微波天線中得到廣泛的應用。將

100、異向介質(zhì)的后向波效應與常規(guī)介質(zhì)的前向波效應相結合可以設計出小于半波長的諧振腔 ,而且諧振腔的物理尺寸不再受諧振頻率的限制。另外，此時的左手介質(zhì)相當于一個相位補償器 ,電磁波在常規(guī)介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的相位差可以通過異向介質(zhì)的后向波效應加以補償。本小節(jié)共設計了三款基于異向介質(zhì)的小型化天線。</p><p>　　第一款為共振一維異向介質(zhì)為基礎的天線應用的輸電線路的建模與設計，以FR4作為基底，大小為16mm*12mm*2

101、mm。如圖3.5所示，其幾何結構圖如圖3.6所示，回波損耗仿真結構如圖3.7所示，圖3.8顯示為頻率f=9.6GHz時的方向圖。 </p><p><b>　　圖3.5三維結構</b></p><p><b>　　圖3.6幾何結構</b></p><p>　　圖3.7回波損耗仿真圖</p><p>

102、　　圖3.8 f=9.6 GHz方向圖</p><p>　　第二款是以螺旋方形諧振環(huán)陣列作為輻射單元的微帶天線，以Rogers RT/ duroid 5880作為基底，大小為50mm*50mm*3.175mm。此天線應用了雙重諧振異向介質(zhì)傳輸線結構，兩只手臂微帶傳輸線和腐蝕有五個螺旋方形諧振環(huán)組成，如圖3.10所示，實現(xiàn)了小型化緊湊型結果。圖3.9為此微帶天線三維結構圖，圖3.11為其幾何結構圖，圖3.12為其

103、回波損耗圖，圖3.13、圖3.14為f=8.5GHZ時的方向圖。</p><p>　　圖3.9以螺旋方形諧振環(huán)陣列作為輻射單元的微帶天線三維結構圖</p><p>　　圖3.10以螺旋方形諧振環(huán)陣列作為</p><p>　　輻射單元的微帶天線輻射貼片結構圖</p><p>　　圖3.11微帶天線單元尺寸結構圖（單位：mm）</p>

104、<p>　　圖3.12回波損耗仿真結果</p><p>　　圖3.13f=8.5 GHz, Phi=0°時的方向圖</p><p>　　圖3.14 f=8.5 GHz, Phi=90°時的方向圖</p><p>　　第三款是復合右左手傳輸線帶寬增強的異向介質(zhì)天線，以GIL GML2032作為基底，大小為41mm*10mm*2mm，三

105、維結構圖如圖3.15所示，幾何尺寸圖如圖3.16所示, 回波損耗圖如圖3.17所示,圖3.18為方向圖。</p><p>　　圖3.15復合右左手傳輸線帶寬增強的異向介質(zhì)天線三維結構圖</p><p>　　圖3.16復合右左手傳輸線帶寬增強的異向介質(zhì)天線幾何結構圖</p><p>　　圖3.17復合右左手傳輸線帶寬增強的異向介質(zhì)天線回波損耗仿真結果 </p&g

106、t;<p><b>　　圖3.18方向</b></p><p>　　這三款天線分別利用異性介質(zhì)結構中的共振、螺旋形諧振環(huán)和復合左/右手傳輸線結構，有效的實現(xiàn)了微帶天線的小型化和超寬帶設計。仿真結果表明，這三款天線與同類天線相比結構緊湊，同時性能均有明顯提高。</p><p><b>　　4 異向介質(zhì)濾波器</b></p>

107、<p>　　4.1微波濾波器的基本理論</p><p>　　4.1.1微波濾波器綜述</p><p>　　微波濾波器作為微波技術中極其活躍的分支，實現(xiàn)了在微波系統(tǒng)中分離或組合不同頻率信號的目的。濾波器是一種二端口網(wǎng)絡電路，假如其信號工作頻率處于微波波段，我們就稱此類濾波器為微波濾波器。</p><p>　　濾波器的組成單元有電容、電感和一些串并聯(lián)諧振回

108、路。這些元件都具有一定的選頻功能，如電感線圈能夠通低頻阻高頻，電容器能夠通高頻阻低頻，串聯(lián)諧振回路能通過一定頻帶的信號阻止其余頻帶的信號，并聯(lián)諧振回路能阻止一定頻帶的信號通過其余頻帶的信號。因此，根據(jù)實際需求，可對這些基本濾波元件設進行一定的組合，形成所需的濾波器，已達到對某一頻段的信號阻抗較高，不能通過，而對某一頻段的信號阻抗幾乎為零，能順利通過的目的。</p><p>　　與低頻濾波器一樣，微波濾波器按照其對

109、不同頻段信號的通、阻性可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種。</p><p>　　下圖 給出了四種濾波器的基本電路和相應的衰減特性</p><p><b>　　(a)低通</b></p><p><b>　　(b)高通</b></p><p><b>　　(c)帶通&l

110、t;/b></p><p><b>　　(d)帶阻</b></p><p>　　圖4.1四種濾波器梯形電路和相應的衰減特性</p><p>　　與微波天線一樣，微波濾波器結構的分析與設計也是一個從復雜到簡單，從粗糙到精確的工程。過去人們使用一些場和波的方法對一些結構比較簡單的微波濾波器結構進行設計與分析已倍感困難。而現(xiàn)今，隨著科技的發(fā)展計

111、算機仿真軟件的不斷開發(fā)與升級已出現(xiàn)成套的現(xiàn)代網(wǎng)絡綜合理論成果，并已順利應用于微波濾波器結構的設計與仿真中，大大減少了人工計算，提高了設計的精確度。</p><p>　　同樣，異性介質(zhì)在微波濾波器中的應用為實現(xiàn)微波濾波器的小型化高性能設計做出了突出的貢獻，大大提高了微波濾波器的性能，其具體應用方法及實例設計將在下文中具體介紹。</p><p>　　4.1.2微波濾波器的基本性能參數(shù)</