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一种小单元格_一种小单元宽频带左手材料的分析与设计

来源:政治论文 时间:2018-11-09 点击: 推荐访问:左手材料单元结构

  摘 要 用电谐振器和磁谐振器组合来实现同时具有负磁导率和负介电常数的左手材料是比较普遍的方法,左手材料中磁谐振器的设计最为重要,为抑制磁谐振器中的电响应,提出了单回路镜像对称原理,从而设计了一种小单元宽频带的回型磁谐振结构,再将磁谐振器与电谐振器组合,形成了小单元宽频带左手材料,通过仿真验证了磁谐振结构的等效负磁导率、工型电谐振结构的等效负介电常数和左手材料的左手特性。利用NRW方法提取出该回型结构的有效磁导率和有效介电常数。结果表明:此结构在 6.5GHz-11.7 GHz间具有左手特性,和传统的史密斯结构相比,本文所设计的左手材料结构简单,易于分析和加工制作,低损耗,低成本。
  【关键词】磁谐振器 电谐振器 左手材料
  1968年前苏联科学家Veselago预测了电磁波可以在磁导率和介电常数同时为负值的介质中传播,而且电磁波能量的传播方向与相位的传播方向相反,左手材料因此得名。1996年Pendry等人证明周期性排列的金属杆(Wires)阵列能够产生负的等效介电常数 。Pendry等人在1999年又证明周期性排列的金属开口谐振环能产生负的磁导率。D.R.Smith等人将金属杆和开口谐振环有规律地排列在一起,制成了等效介电常数和磁导率同时为负值的左手材料 。
  但是上述结构存在带宽窄、结构复杂、损耗大等问题,导致其在应用上受到较大制约。本文针对以上所出现的问题进行研究,仿真工具选择Ansoft HFSS软件,成功设计一种小单元宽频带左手材料结构,其工作频率范围在6.5~11.7GHz、且相对带宽为58.4%。本文研究了电磁波在此左手材料电磁特性,并利用NRW方法提取出该左手材料的有效介电常数和有效磁导率。
  1 “回”型磁谐振器的原理及等效电路分析
  一个磁谐振器结构同时具有电感部分和电容部分,由电磁感应定律可以看出,磁谐振器结构上有电磁波入射时,在结构单元上入射电磁波的磁场会感应出电流,从而形成RLC谐振回路,在结构单元上产生谐振,在谐振负区域就会产生负的等效磁导率。为抑制磁谐振器结构的电响应,同时抑制其双各向异性,其等效电路必须为镜像对称单回路,单回路镜像对称设计原理由此而来。
  垂直入射磁谐振器的时变磁场会产生耦合。即磁场要垂直穿过环面,在磁谐振器上时变的磁场产生电流来驱动谐振器,这时相对放置的磁谐振器等效成LC回路。在外环开口的左右两端分别聚集了负电荷和正电荷,内环恰好与此相反,在左右两端分别聚集了正电荷和负电荷。在外环和内环之间就形成两个串联电容,同时金属环本身有较大的电感,内外两环分别等效成两个电感。此外金属损耗可以等效为两个电阻。磁谐振器的电流二次辐射电磁场,负磁导率的效果就在环于磁场之间的互相耦合中产生。
  2 宽频带左手材料的设计
  2.1 “回”型磁谐振器的设计与仿真
  本文中将使用HFSS软件来对设计的磁谐振结构进行仿真。仿真的结构参数为:外环铜线长度为2.5mm,两环深度为0.25 mm,两环间距为0.4 mm,铜线宽度0.25 mm,外环开口宽度为1.7mm,内环开口宽度为0.5mm,基板材料选择为相对介电常数为2.33的Rogers 5870,基板是边长为2.8mm,厚度为0.15mm的正方形。边界条件的设置为波的入射方向设置为开放边界,电边界为垂直于电场的边界,磁边界为垂直于磁场的边界。
  仿真得到此磁谐振器介质平板的幅度曲线,传输曲线S21,大约从6.5GHz开始出现一个非常陡的传输下降,表明磁谐振器在6.5GHz下发生了谐振,在谐振峰处电磁波的能量几乎不能通过,而且在陡降之后,此回型磁谐振器变化的比较缓慢,表明其具有更加平稳的谐振特性。
  2.2 宽频带小单元左手材料设计与仿真
  左手材料设计最关键的问题就是磁谐振器的设计,现有的研究成果表明,工型金属导线阵列可以产生很稳定的负介电常数效应。将其合理布局便可产生所需的左手材料。设计铜线宽0.1mm,长度2.8 mm,工型长度为0.25mm。金属导线的方向必须与入射场的电场方向一致。单独的磁谐振器或者单独的工型金属线都是可以产生阻带的频带。但是组合之后,两者互相作用便可等效为负介电常数和负磁导率,使得频带从阻带变成通带。
  为了研究该回型左手材料的电磁特性,对其传输特性进行了数值仿真。左手材料的结构图如图1所示:
  图1即为四个左手材料结构单元组合放置在波导中央的仿真模型。将产生的结果与单独磁谐振结构的传输特性和单独工型金属导线的传输特性进行比较,结果如图2所示,图中实线为左手左手单元的传输特性曲线,长虚线为回型磁谐振器的传输特性曲线,短虚线为工型金属导线的传输特性曲线。可以看出左手材料结构单元阵列在6.5~11.7 GHz的频段上存在一个通带,而同样的频段上磁谐振器和电谐振器均为阻带特性,此结果也肯定了图1所示结构为左手材料单元。
  3 提取本构参数
  为了量化地确定左手材料的双负特性,利用NRW方法从传输和反射参数中提取了该左手材料的电磁参数,如图3和图4所示。
  从图中可以看出,在频率范围为1~12 GHz内有效介电常数为负值,在频率范围为6.5~11.7GHz内有效磁导率为负值,所以在频带范围为6.5~11.7 GHz出现了双负特性。该左手材料的相对带宽为58.4%,在6.5GHz上,在电波传播方向上的长度不到0.058个工作波长,在11.7 GHz上长度也不到0.097个工作波长。相对于中心频率电尺寸为0.16和12.2%的相对带宽为12.2%的史密斯结构来说,其电磁特性都得到了显著提升。
  4 结论
  本文根据磁谐振器设计原理,将回型磁谐振器与工型电谐振器结合起来,提出了一种有效相对带宽为58.4%,绝对带宽为5.2GHz,中心频率电尺寸约为0.072的新型左手材料结构。与传统左手材料结构相比该左手材料结构减少了由于电尺寸过大所造成的各向异性等问题。通过仿真得到,在频率范围为6.5~11.7GHz内,该材料的有效介电常数和磁导率同时为负,从而说明本文所提出的宽频带左手材料结构在特定频段的存在性。
  参考文献
  [1]J.B.Pendry.Negative Refraction Makes a Perfect Lens. Physical Review Letters,2000,85(18): 3966-3969.
  [2]杨一鸣,屈绍波,王甲富等.由同时具有磁谐振器和电谐振器结构组成的左手材料[J].物理学报,2009,58(2):31-35.
  [3]王甲富,屈绍波,徐卓等.耦合增强型“巨”字形左手材料磁谐振器的设计[J].空军工程大学学报,2008,9(4):79-82.
  [4]王甲富,屈绍波.磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计.2008,57(8):64-66.
  作者简介
  王琦(1987-)女,现为广东邮电职业技术学院教师。电磁场与微波技术专业硕士。主要研究方向为左手材料。
  黄宗伟,毕业于南京邮电大学,硕士,现任职于广东邮电职业技术学院。研究方向为LTE系统的关键技术的研究及规划设计。
  作者单位
  广东邮电职业技术学院通信系 广东省广州市 510630

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