最新实验1新型功能材料在微波无源器件中的应用1

实验1新型功能材料在微波无源器件中的

应用1

实验1 人工电磁材料在微波无源器件中的应用(频域)

一实验目的

1 了解人工电磁材料的设计方法及其应用现状;

2 掌握人工电磁材料基本单元结构的设计方法，并将这些单元结构应用到微波无源器件设计中；

3 掌握微波器件主要参数的实验测试方法，熟练使用测试仪器。

二实验原理

2.1 人工电磁材料概述

人工电磁材料通常是指自然界中不存在的，通过人工制造且具有天然材料所不具备的特殊电磁性质的复合结构或复合材料。广义地，如果描述材料的一组主要参数中的一个或多个具有自然材料所不能达到的取值，且这些参数及其变化可以用来满足人们的某种特殊电磁功能需求，那么，这些材料都可以成为人工电磁材料。例如，高介电常数(εr~102量级)，适当电导率(σ~104-1010)，电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap，EBG)，光子晶体(Photonic Band Gap，PBG)，负介电常数、正磁导率材料(Epsilon Negative Material，ENG)，正介电常数、负磁导率(Magnetic Negative Media，MNG)，左手材料(Double Negative Material，DNG)等等人工合成材料，都可以称为人工电磁材料。人工电磁材料既可以是一种人工合成的确定材料(如高介电常数、适当电导率材料等类型)，这些材料往往介电常数和电导率为正值，也称DPS(Double Positive Material)材料；也可以是在自然材料基础上，通过加工某种功能结构，使其电磁带隙、介电常数、磁导率等参数达到人们的某个预期取值，进而实现一些自然材料不能实现的功能。

尽管人工电磁材料可以表现出各种各样的功能特征，但从物理实质上看，总是因为材料中微观载流子运动环境(如势场、能带结构、散射与复合机制等)发生了变化，或使得电磁波传输函数发生改变，而这些变化可以宏观地归结为材料的一个或多个统计参数发生了改变。因此，研究人工电磁材料的应用，既可从分析载流子微观运动规律的变化入手，也可从分析材料宏观参数变化的影响因素的“唯象”研究方法着手。

人工电磁材料在微波传输线[1-2]、微波器件[3-8]、天线、微波电路与系统中有重要应用，也是近些年来无线通信技术中的热点研究课题之一。人工电磁材料在微波器件小型化、电磁储能、微波吸收、电磁隔离或导通、隐身、定向天线、表面波抑制、负折射、微纳光学、光通(阻)带等许多高新技术领域都有重要应用。

2.2 左手材料及其典型单元结构

2.3.1 左手材料及典型单元结构概述

1968年，苏联物理学家V. G. Veselago提出了介电常数和磁导率同时为负值的左手材料概念，并理论研究了左手材料中电磁波的传播特性[9]。Pendry于1996 年从理论上证明了由金属棒

(Rod)构成的三维周期结构的等效介电常数特征类似于等离子体，其等离子

体频率位于吉波段，且具有负的介电常数；1999年他进一步研究了周期结构的等效磁导率行为，提出了对周期性排列的金属开口谐振环(SRR，Split-Ring Resonator)，当电磁波的频率低于SRR结构的共振频率时，该系统具有负的磁导率[10]。Smith 等将 Pendry提出的两种结构结合起来，通过电路板刻蚀技术在玻璃纤维基板的两面分别刻蚀金属铜开口谐振环和金属铜杆，并将其一一对应排列成结构材料(如图1-1a)，首次实现了左手材料设计与研制LHM (left hand marterial) [11]，其频率范围为4.2-4.6 GHz。

除由SRR与Rod结构单元形成LHM外，美国加州大学TItoh教授和加拿大多伦多大学G. V. EleRheriades教授提出了由微带线、共面波导等传输线结构所形成的左手材料(如图1-1b)。

目前，依据Rod、SRR及左右手传输线实现负介电常数、复磁导率或左手材料的基本原理，人们改进出各种实现ENG、MNG或DNG材料的变形功能结构单元。图1-1c给出了文献中典型的变形SRR结构，优化这些结构的形状及尺寸，可以在不同频带实现ENG、MNG或DNG材料。

2.3.2 周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理

a SRR与Rod构成的左手材料单元b复合左右手传输线结构单元

图1.1典型ENG、MNG、DNG的功能结构单元

c变形SRR结构单元

如图1.2a，如果将金属杆辐射电磁波时，杆内电子微观运动被视作电子气的等离子体谐振，并设等离子谐振频率为ωp，那么，理想情况下金属杆的介电常数可表为[12]

«Skip Record If...» (1-1) 等离子体频率ωp由电子浓度n，电子质量m e和电荷量e决定

«Skip Record If...» (1-2) 如果考虑金属中电子散射(γ为电子与中性粒子散射频率)，依等离子体物理

«Skip Record If...» (1-3) 如图1.2a，如果将周期性排列的金属杆视作电子气等离子体，那么有效电子密度n eff 为

«Skip Record If...» (1-4) 金属杆电流在空间R处产生的磁场强度为

«Skip Record If...» (1-5) v为电子运动的平均速度。

用矢量位A表示磁场强度，则

«Skip Record If...» (1-6)

其中 «Skip Record If...» (1-7) 电子在电场中所受冲量为e A，单位长度金属线上受力为

«Skip Record If...» (1-8) 考虑F e=ma，依1-8式，可定义电子有效质量m eff

«Skip Record If...» (1-9) 对金属杆辐射的电子气等离子体谐振模型，同时考虑1-4式引起的有效电子浓度和

1-9式的电子有效质量，修正1-2式，可得等离子体的共振频率为

«Skip Record If...» (1-10)

图1.2 周期排列Rod、SRR理论分析模型

a无限长周期排列Rod模型b周期排列SRR模型