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Metamaterial的若干电磁性质及其应用研究

作　者: 姜涛
导　师: 冉立新；皇甫江涛；沈林放；孔金瓯
学　校: 浙江大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: Metamaterial 有源天线人工表面等离子激元
分类号: TN04
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文针对Metamateiral的若干电磁特性开展研究,并探索其可能的应用。本文第一部分研究了Metamaterial的亚波长谐振及辐射特性,并探讨了基于上述特性的谐振器及频率扫描天线的应用。首先分析了Metamaterial介质层与传统正介质层的相互作用。在理论上分析了基于Metamaterial和正介质的谐振特性,证明了相邻的Metamaterial和正介质形成的谐振器频率与谐振器厚度无关,而只与Metamaterial层和正介质层厚度比有关,所以可以实现亚波长的谐振器,并用耦合模方程计算得到了相邻的Metamaterial和正介质能量耦合特性,以及耦合谐振器的谐振条件。对于色散的各向异性Metamaterial介质层,分析了位于其中的线电流源的辐射特性,证明在接近等效折射率为零的频率可以实现出射能量的定向辐射,而由于Metamaterial的色散特性,不同频率的能量出射方向会发生不同角度的偏转,如可见光的彩虹现象,在仿真和实验中实现了频率扫描天线。本文第二部分着重进行了电调折射率Metamateiral及其在电扫描天线中的应用研究。利用有源Metamaterial组成的电调介质板,即在无源Metamaterial中加载电容可变的变容二极管,可以实现等效折射率的电压控制。通过改变电压控制折射率,可以控制通过有源Metamaterial的电磁波的出射相位,从而实现对出射方向的电压调节。实验中在4.95GHz频率,实现了±30°扫描范围的电压控制方向扫描天线,此电扫描天线可以达到6.5°的半功率波束宽度,8dBi的辐射增益。本文第三部分进行了嵌入负阻和增益器件的有源Metamateiral研究。对于Metamaterial中一个重要分支负折射率Metamaterial,利用在复合左右手传输线中嵌入有微分负阻的隧道二极管,在微波频段实现了有源传输线负折射率Metamaterial,证明了可以利用有增益的有源器件补偿负折射率Metamaterial的损耗。同时研究了在亚波长金属结构中嵌入集成微波放大器件,实现有源Metamaterial,并在实验中测量验证了该材料增益补偿特性。本文第四部分针对基于人工金属表面等离子激元的导波结构及性能进行了研究。利用模式展开法计算了一维和二维情况下,凹槽结构的人工金属表面等离子激元的表面波模式。计算结果证明该凹槽结构起到谐振器的作用,将电磁波能量约束在金属表而凹槽内,通过设计凹槽的几何尺寸,理论上可以实现任意频率下的人工金属表面等离子激元的表面波。同时提出了一种人工沟道金属表面等离子激元结构。此人工沟道金属表面等离子激元结构可以将电磁波能量约束在沟道的底部,实现亚波长的模斑面积和数百个波长的传输长度。由于极高的能量约束能力,用该沟道结构人工金属表面等离子激元实现的波导可以提供有效的导波能力,尤其是在90°直角弯曲波导中。本文利用Metamaterial的独特电磁特性,在仿真和实验中实现了亚波长谐振器,定向辐射天线,频率扫描天线和电压控制方向扫描天线等新型器件。而且针对目前Metamaterial的损耗和色散较高的缺点,提出和实现了利用负电阻实现有源负折射率Metamaterial的解决方案。最后提出了一种利用人工金属表面等离子激元原理实现的导波器件,尤其是在90°直角弯曲波导中,具有极高的传输率。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-30
  1.1 引言  11-13
  1.2 负折射率METAMATERIAL的实验验证  13-18
  1.3 负折射率METAMATERIAL的电磁特性  18-24
    1.3.1 负Snell折射  18-19
    1.3.2 逆Doppler效应  19-20
    1.3.3 逆Cerenkov辐射  20-21
    1.3.4 逆Goos-Hanchen位移  21-22
    1.3.5 亚波长成像  22-24
  1.4 基于传输线实现的负折射率METAMATERIAL  24-25
  1.5 METAMATERIAL的应用研究  25-28
  1.6 人工金属表面等离子激元  28
  1.7 本文的主要研究内容及意义  28-30
第二章 METAMATERIAL的谐振及辐射特性研究及其应用  30-55
  2.1 引言  30
  2.2 METAMATERIAL介质板的谐振特性研究  30-36
    2.2.1 Metamaterial介质板的金属平板谐振特性  30-32
    2.2.2 Metamaterial介质板的耦合谐振特性  32-36
  2.3 METAMATERIAL介质板的辐射特性研究  36-39
  2.4 METAMATERIAL介质板谐振及辐射特性的应用  39-53
    2.4.1 基于Metamaterial介质板的亚波长谐振器天线  39-43
    2.4.2 基于Metamaterial介质板的耦合谐振器  43-49
    2.4.3 基于Metamaterial介质板的频率扫描天线  49-53
  2.5 本章小结  53-55
第三章基于电调折射率METAMATERIAL的方向扫描天线  55-91
  3.1 引言  55
  3.2 电压控制折射率可调METAMATERIAL  55-60
  3.3 基于电压控制METAMATERIAL的电调天线  60-90
    3.3.1 理论分析  60-62
    3.3.2 馈源系统  62-66
    3.3.3 电调天线罩  66-70
    3.3.4 控制系统  70-77
    3.3.5 电调天线系统实验  77-90
      3.3.5.1 电调天线电压驻波比  79-80
      3.3.5.2 四层结果  80-83
      3.3.5.3 五层结果  83-85
      3.3.5.4 六层结果  85-88
      3.3.5.5 八层结果  88-90
  3.4 本章小结  90-91
第四章有源METAMATERIAL研究  91-109
  4.1 引言  91-92
  4.2 利用分立器件实现的增益补偿METAMATERIAL的实验研究  92-95
  4.3 负阻的实现  95-97
  4.4 复合左右手传输线  97-100
  4.5 有源复合左右手传输线  100-107
    4.5.1 理论分析  100-103
    4.5.2 利用隧道二极管实现复合左右手传输线  103-107
  4.6 本章小结  107-109
第五章基于人工表面等离子激元的导波结构研究  109-122
  5.1 引言  109
  5.2 一维凹槽结构人工金属表面等离子激元  109-113
  5.3 二维方孔结构人工金属表面等离子激元  113-116
  5.4 基于人工金属表面等离子激元的导波研究  116-121
  5.5 本章小结  121-122
第六章结束语  122-125
参考文献  125-133
攻读博士学位期间的研究成果  133-135
致谢  135-136

Metamaterial的若干电磁性质及其应用研究

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