人工微波媒質(zhì)的勻質(zhì)化及Non-Foster色散補(bǔ)償研究.pdf

1、人工微波媒質(zhì)的物理本質(zhì)是通過(guò)周期排列的亞波長(zhǎng)諧振單元，利用其諧振特性將自然媒質(zhì)中的描述原子和電子極化的Drude-Lorentz色散模型從紫外(1 PHz)及以上頻段移至光、微波等較低頻段，從而獲得可以任意控制的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)奇異的電磁特性。當(dāng)前人工媒質(zhì)的應(yīng)用主要面臨著三個(gè)方面的挑戰(zhàn)，一是現(xiàn)有的組成人工媒質(zhì)的亞波長(zhǎng)諧振單元其物理尺寸與對(duì)應(yīng)的自由空間的波長(zhǎng)的比例僅為六分之一到十分之一，相對(duì)于傳統(tǒng)的自然媒質(zhì)來(lái)說(shuō)，其均勻度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不

2、夠的。要保持人工媒質(zhì)的奇異特性不變，其最終的物理尺寸是非常大的，在有些場(chǎng)合明顯不適用；二是，人工媒質(zhì)的奇異特性均來(lái)源于電磁諧振產(chǎn)生的強(qiáng)色散特性，根據(jù)Kramers-Kronig關(guān)系，強(qiáng)的色散對(duì)應(yīng)的頻率范圍很窄，也就是說(shuō)傳統(tǒng)的人工媒質(zhì)一般是工作在窄帶范圍內(nèi)，因此在寬頻的應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償；三是人工媒質(zhì)的強(qiáng)色散必然伴隨著較大的損耗，這意味著接受的大部分能量會(huì)在傳輸中被消耗掉。因此在實(shí)際的應(yīng)用中，需要減小由于人工媒質(zhì)的損耗所帶來(lái)的能

3、量損失，一般可以在設(shè)計(jì)中引入有源器件，通過(guò)直流功率的注入，在保持奇異特性的同時(shí)，減小損耗，或者通過(guò)降低介質(zhì)基板的損耗來(lái)達(dá)到減小損耗的目的。
　　本研究提出了一種利用單層平面工藝的基于半波長(zhǎng)傳輸線諧振器的深亞波長(zhǎng)電磁諧振單元的構(gòu)造方法，并通過(guò)3 mil最小線寬的PCB工藝，提出了一種工作在1 GHz左右的具有負(fù)折射特性的負(fù)折射率媒質(zhì)的勻質(zhì)化設(shè)計(jì)方法并制成實(shí)物?；诘刃劫|(zhì)理論和矩形波導(dǎo)反算法，通過(guò)測(cè)量樣品的散射參數(shù)得到其等效介電常數(shù)

4、和磁導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度一致，均勻度從傳統(tǒng)的六分之一以內(nèi)提升到六十分之一。進(jìn)一步仿真表明，基于微米級(jí)的半導(dǎo)體工藝，均勻度可以提升到三百分之一甚至千分之一。為補(bǔ)償人工媒質(zhì)固有的強(qiáng)色散來(lái)構(gòu)造寬帶的人工媒質(zhì)，本文提出了一種基于Linwill開路穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的集成負(fù)阻抗（NIC）變換電路。基于Global Foundry180 nm的工藝庫(kù)，對(duì)電路的Non-Foster特性以及電源穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明，該電路可以在較寬的頻