微波仿真论坛_磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计
微波谐振腔本征模求解的算法及应用
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耦合增强型“巨”字形左手材料磁谐振器的设计
作者简介 ： 甲富 （９ １ ， ， 王 １８ 一）男 山东聊城人 ， 博士生 ， 主要从 事左手材料的研究 ； ｍ ｌ ｈｏ ｅｕｎ ２．ｏ Ｅ— ａ ： ａｍ ｉａ＠１６ｅｍ ｌ ｊ 屈绍波（ ９ ５一） 男 ， １６ ， 安徽毫县人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事左手材料及超材 料研究 ； 徐 卓（９９一 ， ， １５ ）男 四川成都人 ， 。 教授 博士生导师 ， 主要从事 电子材料 和材料 物理 的研究 ．
型， 制作出了开口谐振环与导线阵列构成的左手材料结构 ， 并通过棱镜实验验证 了这种结构 的负折射系数 。
第一次实现了同时具有负磁导率和负介电常数的左手材料结构 ， 在学术界掀起了左手材料研究 的热潮。 实现左手材料 的一个主要途径是将具有负磁导率和负介 电常数 的结构组合 】通常采用磁谐振器来 ， 实现负磁导率， 采用金属导线和或 电谐振器来实现负介 电常数 ， 这需要进行磁谐振器（ ａｎｔ ｓ ａ ｒ） ｍ ｇｅ ｃ ｅｏ ｔｓ 的 ｉｒ ｎ ｏ 研究 和电谐振器 （ｌ ｔｃｒ ｏａ ｒ 的研究 。。最早 的左 手材料磁谐振器是 ＪＢ Ｐ ｎｒ 等人 提出 ｅ ｃｉ ｅ ｎｔ ） ｅ ｒ ｓ ｏ 。 ． ． ｅｄ ｙ 的开 口谐振环， 这种结构既具有磁谐振又具有电谐振 ， 且两种谐振频率的间隔较为接近 。当组成阵列时 ， Ｊ 电磁耦合效应会削弱开 口谐振环的磁谐振 ， 这不利于对开 口谐振环磁谐振 的应用 。Ｒ Ｍ ｒｕｓ ． ａ ｅ 等人 ［深入 ｑ ６ ］
耦合增强型 “ 巨＂ 形左 手材 料 磁 谐 振 器 的 设计 字
王 甲富 ， 屈 绍波 ， 徐 卓２ 马 华 杨 一鸣 顾 超 ２ ， ， ，
（． １ 空军工程大学 理学院 ，陕西 西安
西安 ７ ０４ ） １０ ９
微波左手材料的反射率和相位随频率的变化特性_图文
第50卷第6期 2005年3月论文微波左手材料的反射率和相位随频率的变化特性赵乾赵晓鹏*康雷郑晴(西北工业大学电流变技术研究所, 西安 710072.* 联系人, E-mail:xpzhao@摘要利用矩形波导法首次由实验研究了微波垂直入射到由铜六边形开口谐振环(split ring resonators, SRRs和铜杆组成的左手材料(left-handed metamaterials, LHMs 样品表面时, 其反射率和反射相位随频率的变化特性. 实验结果表明: 单层SRRs的LHMs样品在左手频段内出现了一个深度为−3.3 dB的反射峰, 即其反射率为47%. 在左手频段内, 反射波相位随微波频率的变化关系与透射波相位变化不同,而且反射波相位曲线在反射峰频率处出现一个拐点. 对于三层SRRs的LHMs 样品, 其反射峰的深度随样品排数的增加而增加, 即不反射能力增强, 且反射峰与左手透射峰有一个相对频移, 认为不同层间SRRs的相互作用是导致其频移的原因.关键词左手材料反射相位“左手材料”(left-handed metamaterials, LHMs是一种介电常数ε 和磁导率µ同时为负的人工周期结构材料, 由于其中传播的电磁场分量E, B与波矢K满足“左手定则”而得名[1]. 即其群速度与相速度方向相反, 从而呈现出许多反常的物理光学现象, 如负折射效应[2]、反常Doppler效应[3]和完美透镜效应[4]等.目前, 有关LHMs的研究主要集中在负磁导率材料、负介电材料以及LHMs等奇异透射行为方面. 如Pendry研究了周期性排列的金属开口谐振环(split ring resonators, SRRs的电磁响应行为, 发现其行为与磁性材料相似, 尤其是其磁导率在谐振频率附近某一频率范围内为负[5]. Smith将金属开口谐振环和金属杆排列成周期结构, 第一次实验证实了左手材料负折射的存在[6]. 我们研究组设计了六边形SRRs 并实验研究了由其周期性排列形成的负磁导率材料和左手材料中的缺陷效应, 得到了一些有意义的结果[7~9]. 电磁波在介质分界面处的反射现象是电磁波与物质相互作用的一个基本的问题, 不仅具有理论意义而且具有非常重要的应用价值. 光子晶体在某些特定频段对电磁波具有反射作用, 该反射行为的选择性具有广泛的应用前景, 如微带天线、滤波器和Bragg反射器等[10]. LHMs作为一种特殊的周期性结构材料, 其反射行为的研究必将拓宽LHMs的应用范围. Ruppin理论研究了包含LHMs的Bragg反射器的反射行为, 发现左手频段内Bragg反射峰窄而且强度小, 左手频段外出现了宽的Bragg反射峰[11]. 就我们所知, LHMs反射行为的实验研究尚未见到报道. 本文采用电路板刻蚀技术制备了一系列LHMs样品, 利用矩形波导法实验研究了微波正入射时LHMs的反射率、反射相位等随频率的变化关系.1样品制备及测试采用电路板刻蚀技术在0.5 mm厚的环氧酚醛玻璃纤维板上制备了一系列铜六边形SRRs和铜杆, 其厚度均为0.02 mm. 六边形SRRs可由内外环的内切圆直径d1, d2, 线宽c和开口间距g等参数描述. 实验所制备的SRRs的参数为: d1=1.0 mm,d2=2.2 mm, c =0.3 mm, g=0.3 mm. 铜杆的长度为9.9 mm, 线宽为0.5 mm. SRRs和铜杆一一对应且分别位于纤维板上两侧, 以其为结构单元周期排列制得LHMs(如图1所示. 本文制备了两种不同结构的LHMs样品. LHMs样品Ⅰ: x方向上SRRs为一层; LHMs样品Ⅱ: x 方向上SRRs为三层. 改变y方向上SRRs的排数制得不同排数的LHMs样品Ⅱ.利用微波一体化矢量网络分析仪(AV3618测量样品的S参数, 其信号发生器的频率为50 MHz~20 GHz. 由于所设计样品的谐振行为主要发生在微波X 波段(8~12 GHz, 因而选择横截面为22.86 mm×10.16 mm的矩形波导. 测量前先采用全双端口校准, 将不包含铜SRRs和铜杆但与样品结构相同的纤维板标准样品放入波导中对系统两个端口进行全反射、小反射负载和直通校准. 将LHMs样品沿波的传播方向z置于波导中, 其中传播的微波为TE10波, 微波磁场矢量与y方向平行, 即垂直于SRR所在平面, 电场矢量与x方向平行, 即与铜杆平行.论文第50卷第6期 2005年3月图1 LHMs样品结构示意图2结果与讨论2.1 LHMs样品Ⅰ的反射特性LHMs样品Ⅰ沿x方向SRRs层数为1, 沿y和z方向的排数分别为3和8. 其结构参数分别为L y=7.0mm和L z=7.0 mm. 将样品Ⅰ置于端口1的波导中, 并在波导末端接上匹配小反射负载, 测量其微波反射率和反射相位随频率的变化关系. 图2为LHMs样品Ⅰ的微波反射参数S11随频率的变化关系图.由图2可见, 当微波频率由9000 MHz变化到11500 MHz时, LHMs样品Ⅰ的反射谱在10420MHz 处出现了峰深为−3.3 dB的反射峰, 约有47%的能量由样品反射了回来, 其它频段的反射很强, 接近于全反射. 由透射谱可见, LHMs样品Ⅰ在9940~10820 MHz频率范围内出现了一个左手透射峰, 该透射峰图2 LHMs样品Ⅰ的微波反射谱位于周期性排列SRRs和金属杆的禁带交叠处, 此时材料的介电常数和磁导率同时小于零, 左手透射峰所对应的频段称为左手频段. 由反射谱可见LHMs样品Ⅰ的反射峰位于左手频段内. 在左手频段内, 左手材料具有较大的透射率和吸收率[12], 导致其反射率减小, 因而反射谱在左手频段内出现了一个反射峰. 图3为LHMs样品Ⅰ的微波反射相位随频率的变化关系图.由图3可见, 在左手频段内, 左手材料的反射波相位随微波频率的增加而增加, 即反射波相位曲线的斜率为正, 而左手材料透射波相位却随微波频率的增加而减小, 即透射波相位曲线的斜率为负. 同时反射波相位曲线在反射峰所对应的频率10400 MHz 处出现一个拐点, 因而由微波反射相位的拐点可间接确定反射峰的位置.图3 LHMs样品Ⅰ的微波反射相位曲线第50卷第6期 2005年3月论文2.2 LHMs 样品Ⅱ的反射特性为了深入研究LHMs 的反射行为, 制备了x 方向上SRRs 层数为3的LHMs 样品Ⅱ, 调节y 方向上结构单元的排数分别为1, 2和3制得不同排数的LHMs 样品Ⅱ. 其结构参数分别为L x =3.3 mm, L y =7.0 mm 和L z =5.0 mm. 将LHMs 样品Ⅱ置于端口1的波导中, 并在波导末端接上匹配小反射负载, 测量微波的反射率和反射相位随频率的变化关系.图4为1排LHMs 样品Ⅱ的微波反射率随频率的变化关系图.图4 排数为1的LHMs 样品Ⅱ的反射谱由图4可见, 当微波频率由9000 MHz 变化到11000 MHz 时, 反射谱在频率10580 MHz 处出现了峰深为−1.7dB 的反射峰, 其反射率为67%. 由透射谱可见, 1排LHMs 样品Ⅱ的左手透射峰位于9500~ 10100 MHz 频率范围内, 因而其反射峰相对于左手透射峰发生了约1000 MHz 的频移. LHMs 样品Ⅱ与样品Ⅰ相比, 其x 方向上的SRRs 层数由1增加到3, 因而SRRs 不仅与层内最近邻和次近邻SRRs 发生相互作用, 而且还受到层间和斜对角SRRs 的作用, 我们认为该相互作用是引起反射峰相对左手透射峰发生频移的原因.图5和图6分别为2排和3排LHMs 样品Ⅱ的微波反射率随频率的变化关系图.由图可见, 2排和3排LHMs 样品Ⅱ分别在10500 MHz 和10520 MHz 处出现了峰深为−2.8 dB 和−5.8 dB 的反射峰. 它们的反射峰亦与其左手透射峰发生了频移.比较图4~6可见, 当LHMs 样品Ⅱ的排数由1增加到3时, 左手透射峰向低频移动, 透射峰强度增加, 峰宽变宽. 周期性排列的SRRs 的谐振频率随几何图5 排数为2的LHMs 样品Ⅱ的反射谱图6 排数为3的LHMs 样品Ⅱ的反射谱参数的变化关系为[5]:220033πln(2/lc r c d ω=,其中, l 为排间间距, c 0为真空中的光速, r 为内环的半径, c 为环的线宽, d 为内外环间距即径向间距. 由该式可见, 当r , c 和d 等参数固定时, 谐振频率随排间间距l 增加而增加. LHMs 样品Ⅱ排数的增加等价于其排间间距l 减小, 因而其左手透射峰向低频移动. 随着排数的增加, 其反射峰由−1.7 dB, −2.75 dB 变化为−5.8 dB, 逐渐变深, 表明其反射率随排数的增加而变小, 即不反射能力增强. 结构单元数增加, 左手效应增强使得左手透射峰增强, 透射率增加, 吸收增加因而该频段内的反射减小. 光子晶体在其光子禁带内为全反射而LHMs 在其左手频段内具有反射率较小的反射峰, 其他频段接近全反射. LHMs 样品Ⅱ的反射相位随频率的变化与LHMs 样品Ⅰ类似, 这里不再给出.2.3 周期排列杆的反射特性理论研究表明, LHMs 与SRRs 的透射和反射行论文第50卷第6期 2005年3月为截然不同[12]. LHMs 在左手频段内的反射较大而SRRs 的反射却相对较弱, 其主要区别在于有无负介电常数材料的存在. 因而我们研究了周期性排列金属杆形成的负介电材料的微波反射行为. 结构参数分别为L y =7.0 mm 和L z =5.0 mm 的三排铜杆的反射率随频率的变化关系如图7所示.图7 负介电材料的微波反射谱由图可见, 在9200~12000 MHz 频段内, 金属杆的反射很大约为−0.6 dB, 而透射极小约为−75 dB, 该频段内其介电常数小于零. 在8500~9200 MHz 频段内, 由于透射随频率的增加而减小, 导致其反射率随频率的增加而增加. 周期排列金属杆结构材料的电磁波响应行为与等离子体相似, 存在一个等离子体谐振频率ωp , 当频率ω<ωp 时, 电磁波全部被反射而没有能量透过, 因而LHMs 具有大的反射率.3 结论本文设计并利用电路板刻蚀技术制备了由铜六边形SRRs 和铜杆周期性排列而形成的左手材料. 利用矩形波导法实验研究了当微波垂直入射到样品表面时, 其反射率和反射相位随频率的变化特性. 得出了以下结论: 单层SRRs 的LHMs 样品的反射峰出现在左手频段内, 其峰深为−3.3 dB, 即反射率约为47%, 其它频段反射率接近于100%. 在左手频段内, 反射波相位随微波频率的变化关系不同于透射波相位, 而是随微波频率的增加而增加, 且反射波相位曲线在反射峰频率处出现一个拐点. 对于三层SRRs 的LHMs 样品, 其反射峰的深度随样品排数的增加而增加, 即不反射能力增强, 且反射峰与左手透射峰有一个相对频移, 我们认为不同层间SRRs 的相互作用是导致其频移的原因. LHMs 反射行为的研究对于拓宽其应用领域具有一定的指导意义.致谢本工作为国家杰出青年科学基金(批准号: 50025207、国家自然科学基金(批准号: 50272054和国家重点基础研究发展计划(973计划(批准号: 2004CB719800资助项目.参考文献1Veselago V G. The electrodynamics of substances with simultane-ously negative values of permittivity and permeability. Sov Phys Usp, 1968, 10 (4: 509~514 2Houck A A, Brock J B, Chuang I L. Experimental observation of a left-handed material that obeys Snell’s law. Phys Rev Lett, 2003, 90 (13: 137401~1 3Seddon N, Bearpark T. Observation of the Inverse Doppler effect. Science, 2003, 302 (5650: 1537~1540.4 Pendry J B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys RevLett, 2000, 85(18: 3966~3969 5Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, et al. Magnetism from con-ductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47: 2075~20846 Shelby R, Smith D R, Schultz S. Experimental verification of anegative index of refraction. Science, 2001, 292(5514: 77~79 7Zhang F L, Zhao Q, Liu Y H, et al. The behavior of hexagon split ring resonators and left-handed metamaterials. Chin Phys Lett, 2004, 21(7: 1330~1332 8 赵乾, 赵晓鹏, 康雷, 等. 一维负磁导率材料中的缺陷效应. 物理学报, 2004, 53(7: 2206~22119 康雷, 赵乾, 赵晓鹏. 二维负磁导率材料中的缺陷效应. 物理学报, 2004, 53(10: 3379~338310Brown E R, Parker C D, Yablonovitch E. Radiation properties of a planar antenna on a photonic-crystal substrate. J Opt Soc Am B, 1993, 10(2:404~40711 Ruppin R. Bragg reflectors containing left-handed materials. Mi-crowave and Optical Technology Letters, 2003, 38(60: 494~495 12 Markos P, Soukoulis C M. Transmission studies of left-handedmaterials. Phys Rev B, 2001, 65(3: 033401(2004-09-15收稿, 2005-01-27收修改稿。
不同腔体材料微波炉的多物理场仿真与研究
不同腔体材料微波炉的多物理场仿真与研究新一代微波炉已被广泛应用于微波烹饪，无论是在家里还是在大型厨房都能见到它的身影。
它具有便捷、快速、高效烹饪以及简单的操作等优点，因此受到很多人的喜爱，不久前微波炉的使用十分普及。
然而，如何更好地确保厨房安全，是当前微波烹饪领域研究的重点。
为了充分挖掘微波炉的潜能，许多采用不同腔体材料的微波炉研究被开展。
本文旨在探讨采用不同腔体材料的微波炉的多物理场仿真与研究。
首先，本文介绍了常见微波炉腔体结构及其相关材料研究，其中包括金属材料、介质材料以及吸收材料等。
其次，本文讨论了采用不同腔体材料的微波炉的多物理场仿真，其中包括热场模拟、电场模拟、磁场模拟以及声场模拟等。
最后，本文结合实验室实验结果对微波炉进行了分析优化，以确保厨房安全和实现烹饪最佳效果。
随着技术的发展，现代微波炉的腔体在构造上已经十分复杂，而材料的选择也起着至关重要的作用。
腔体材料有金属、介质以及吸收材料等，每种材料都具有独特的电学、热学、机械以及放射性特性。
金属材料是用来构建微波炉的基本部件，而介质材料则具有吸收辐射能量的作用，吸收材料可以实现辐射能量的有效分布，从而使微波炉的热效率得到极大提高。
为了研究不同腔体材料的微波炉，本文通过多物理场仿真分析技术，开展了该领域相关的模拟与研究。
通过腔体多物理场仿真，可以精确地分析各种材料在微波烹饪中的功能特性，包括热、电、磁和声等场模拟，从而更好地了解微波炉的内部热能运动、电磁波的传播以及声学性能的变化等情况。
这种技术不仅可以更好地分析微波炉的物理和电路特性，而且可以提高微波炉的功效，提高厨房安全等。
最后，本文利用仿真与实验结果进行了比较，以验证所开展的多物理场研究的有效性。
仿真结果表明，不同材料微波炉的热性能和电磁性能模拟计算均较接近实验数据，表明本文开展的多物理场仿真分析技术是有效的。
综上所述，本文针对不同腔体材料的微波炉进行了多物理场仿真与研究，并通过仿真与实验对比，验证了其有效性。
微波与天线实验报告讲解
实验一基本辐射单元方向图一、实验目的基本辐射单元，指的是基本电振子（电偶极子），基本磁振子（磁偶极子），基本缝隙，惠更斯面元等。
它们是构成实际天线的基本单元。
通过本次实验了解这些基本辐射单元在空间产生的辐射场。
二、实验指导实验界面有三个显示区：立体方向图、E面方向图、H面方向图，分别用来显示基本辐射单元在空间产生的辐射场的立体方向图、E面方向图和H面方向图。
界面下端有六个按钮：基本电振子、基本磁振子、基本缝隙、惠更斯面元、Return、Help。
点击按钮基本电振子，则基本电振子的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本电振子所辐射的电磁场强度不仅与r有关，而且与观察方向θ有关。
在振子的轴线方向，场强为零；在垂直于振子轴的方向上，场强最大；在其它方向上，场强正比于sinθ。
点击按钮基本磁振子，则基本磁振子的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本磁振子所辐射的电磁场的空间图形与基本电振子一样，这是因为基本电振子的辐射是振子上电流产生的辐射与基本磁振子的辐射是振子表面切向磁场产生的磁场是等效的。
点击按钮基本缝隙，则基本缝隙的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见基本缝隙所辐射的电磁场与基本磁振子完全相同，基本缝隙与基本磁振子是等效的。
点击按钮惠更斯面元，则惠更斯面元的方向图在显示区内显示出来，由显示图形可见惠更斯面元所辐射的电磁场在空间是一个对称于面元法线的心脏形方向图。
点击按钮Return，返回天线实验总界面。
实验二对称阵子方向图分析一、实验目的：通过MATLAB编程，熟悉电基本阵子和对称阵子的辐射特性，了解影响对称阵子辐射的因素及其变化对辐射造成的影响二、实验原理：1．电基本振子的辐射电基本振子（Electric Short Dipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。
用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。
谐振环左手材料设计参数对太赫兹传输的影响
Ｍｉｉｒ ｆ ｄ ｃｔ ｎ Ｔａｊ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ ｎ ｔ ｏ ｕａ ｏ ， ｉ ｉ ３ ０ ７ ， ｈｎ ） ｓｙ Ｅ ｉ ｎｎ
ＡｂｔａｔＬ ｆｈｎ ｅ ｔｒ ｌ Ｌ Ｍ）ｘ ｌ ｅａｎｗｆ ｌ ｆｒ ｅｅｒｈａｄａｐｉａｏ ｆ ｅ ａ ｒ ｌ Ｅｅｔ ｍ ｇ ｓ ｃ ：ｅ —ａ ｄｄｍａ ｉ ｓ（ Ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｅ ｓａｃ ｐ ｌ ｔ ｎｏ ｗｍ ｔ ａ ． ｌｅ ｏ ａ・ ｒ ｔ ｅａ ｏ ｉ ｄ ｏｒ ｎ ｃｉ ｎ ｅ ｓ ｉ ｒ
第４ １卷 第 ８期
２ １ 年 ８月 ０１
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ ． １４１， ． Ｎｏ ８ Ａｕｇ ｔ ２ ｕｓ ， ０１１
文章编号： ０ － ７ （０ １０－ ２ － １ １ ０８ ２ １）８ ８５ ５ ０ ５ ０ ０
・ 述 与评 论 ・ 综
ｔ ｒ ，ｕ ｈ ａ ｅ ｏ ｉ ，ｒ ｃａ ， ｕ ｓ ａ ｅ ｍａｅ ａ． ｘ ｌ ｎ ｔ ｎ ｒ ｉ ｅ ． ｅ ｓ ｃ ｓ ｐ ｒ ｄ ｃ ｆａ ｔｌ ｓ ｂ ｔ ｔ ｔｒ １ Ｅ ｐ ａ ａｉ ｓ ａｅ ｇｖ ｎ ｓ ｉ ｒ ｉ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ＴＨｚ ｌｆ ｈ ｎ － ｔｒａ ； ｔ ａ ｄ ｍａｅ ｌ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ｒ ｇ ｔ ｓ ｓｉ ｎ ｅ— ｉ ｉ ａ
摘 要 ： 左手 材料 （ ＨＭ） 出现 ， 新 型材 料 的探 究和 应 用 开 辟 了一个 全 新 的领 域 。 电磁 波 Ｌ 的 为 在左 手材 料 中的传 播特 性 已经被 许 多研 究工 作者广 泛 探 索并得 到 了许 多新结 果 ， 与此 同时， 太 赫 兹 由于其 独特 性质 也成 为近 年来 研 究 的热 点。 归类 总结 了太 赫 兹 波在 典 型 Ｌ Ｍ 材 料 中 的 Ｈ 传 输 ， 通过 比较 太 赫兹 波在 不 同设计 的 Ｌ 并 ＨＭ 中 的传 输 ， 出在 Ｌ Ｍ 设 计 中 ， 期 、 形 、 得 Ｈ 周 分 基
介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析(DOC)
第3章介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析3.1介质谐振器介质谐振器的流程图：3.1.1介质谐振器的建模介质谐振器的模型有很多中，本文主要是以圆柱形介质谐振器为参考，其中，介质谐振器的尺寸均是由本人视个人情况设定。
本模型由三部分组成：谐振腔、谐振介质和基片，如图所示：谐振腔谐振介质谐振器基片3.1.2谐振器的设计与仿真分析（1）开始前的准备工作上网下载电磁波仿真系统HFSS软件，进行安装。
打开HFSS软件桌面快捷方式，启动HFSS软件。
新建一个工程，名称为yuancong.hfss ，然后设计解决方案类型。
在HFSS软件中，具有三种求解方法。
分别是受驱模式求解、受驱终端求解和本征模求解。
下面是三种求解方式的区别：本征模求解：计算结构的本征模或谐振是一般采用本征模求解方式。
本征模求解可算出结构的谐振频率和在这些谐振频率出对应的场，也可计算出品质因数。
因为本征模问题不包含端口和源，所以介质谐振器运用的求解方式是本征模求解方式。
受驱模式求解：想用HFSS计算基于微波传输带、波导、传输线等被动高频结构的基于模式的S参数时，选用Driven Modal。
S参数解决将用一系列波导模的入射和反射能量来表示。
受驱终端求解：想用HFSS计算基于终端的多导体传输线端口的S参数时，采用受驱终端求解。
（2）设计模型单位选择软件的单位以毫米为单位。
（3）创建空气腔选择菜单项创建空气腔，其圆柱体的基坐标为（x=0,y=0,z=0）,并且键入半径为15mm，高度为10mm。
并且勾选显示框架项。
（4）创建新材料由于介质谐振器是由高介电常数和低损耗的介质材料制成，所以要创建高介电常数的材料。
ε=36，命我们在三维模型材质中创建新材质，其中，谐振介质的介电常数r名为DielRes.在实际天线设计中，谐振器要放在介质基片之上，基片下面是接地板，接地板如果与谐振器较近就会对谐振频率和品质因数有影响，而且谐振器材ε=9.6.料的介电常数必须远大于基片的介电常数。
具有谐振特性的双通带左手材料的设计
４ 结 论
基 于左 手材料 设 计 的理 论 ，钊‘对 当前 多通 带 左 手 材料 的研 究热 点 ，提 出 了一 种 新 型 双 通 带左 手 材 料 的结构单元 ，利用仿真软件对其结构进行模拟仿 真 ，数 值 仿 真 结果 表 明 ，该 结 构 在 １８．６～２３．１ ＧＨｚ 和 ２４．８～３１．０ ＧＨｚ频 率 范 围 内存 在 由谐 振 特 性 产 生 的左手 频段 ．计算 验 证 了该结 构 单 元 在 这 ２个 频 段 内具 有 双 负 特 性 ，并 且 其 相 对 带 宽 分 别 达 到 了 ２１．６％和 ２２．２％ ，本 研究 结 果 町为多 通 带通 信 提 供
左 手 材 料 的结构 设 计 与分 析
电磁波传输系统可 以等效为传输线 网络 ，实现 左 手材 料 的负折射 特 性 ，需 要 在 同一 频 带 内 同时 产 生负的介电常数 和负的磁导率 尽管传输线理 论 上存 在纯左 手材 料 传 输线 等效 电路 模 型．由于 电 磁波传播时会存在寄生效应 ，这种纯左手传输线等 效 电路模 型在 自然 界 中是不 存 在 的 ，在一 定 频 段 内 会伴随着右手材料 的特性 ，因此在设计 中使用在普 通传输线 中加载并联电感与串联电容来实现左手传 输线．图 １为理想左右手复合型传输线模型．ｃ 与 ｃ 分别 为并 联分 布 电容 和 串联 分布 电容 ，厶．和 ￡ 分 别为并联分布电感和串联分布电感．其 中 ｃ 和 厶．会 表现 出左 手传 输线 的分布 参量 ．
３０２
江 西师 范大学 学 报 （自然科 学版 ）
２０１６征
ｃ的增加 ，第 １个谐振点增大 ，但第 ２个谐振点并不 随着 ｃ的增加而增大．从 图ｌ３（ｃ）与 ｌ３（ｄ）可 以看 出 当其 它参数 不 变 的情 况 下 ，单 独改 变 ｗ或 ｈ会 使 得 第 １个谐 振 点增加 或 减 小 ，但 并 不 会 使第 ２个 谐 振 点 有较 大改 变．因此 ，要 想 实 现 所需 要 的谐 振 点 ，可 以通 过 改变 该结 构 中某 一参 数 的 尺 寸 ，产 生不 同 的 等效电容与等效 电感 ，呈现不同的负磁导率．实现所 需 要 的双通 带左 手材 料 ．
磁谐振耦合无线能量传输系统谐振线圈设计
磁谐振耦合无线能量传输系统谐振线圈设计摘要磁谐振耦合无线能量传输技术作为一种新型无线供电技术相比传统无线传能技术有传输距离适中，传输效率高，可穿透障碍物等优点，可以为植入式器件提供一种便捷、高效的能量供给方式。
自谐振线圈作为磁谐振耦合无线能量传输系统的重要组成部分和关键单元是实现无线能量传输的关键。
因此，本文以提高自谐振线圈的品质因数，降低自谐振线圈的谐振频率为目标，对自谐振线圈进行建模、仿真、设计和实验分析。
最后给出了适用于植入式器件无线供能的谐振线圈模型。
关键词无线能量传输；部分元等效电路；谐振频率；品质因数引言自2007年MIT的MarinSoljacic提出磁耦合谐振技术以来，这项技术引起了很多学者的关注[1]。
人们也开始研究这项技术的机理，无线能量传输系统的效率、功率、传输距离以及其他相关问题。
作为系统重要的组成部分，发射和接受线圈的性能决定了系统的性能。
因此，对发射和接受线圈的优化是非常必要的。
线圈的形状和结构有很多，比如MIT采用的螺旋线圈、Intel采用的平面螺旋线圈，以及印刷螺旋线圈（PCB线圈）。
本文采用的是PCB线圈。
PCB线圈具有高稳定性、高准确性、易于生产以及易于和其他电路连接的优点。
对于小功率设备的无线供能问题是很好的选择。
采用双层PCB线圈作为发射和接受线圈，并对线圈的圈数、线宽、线距、层距进行了优化[2]。
利用部分元等效电路方法对线圈建模，得到了线圈的品质因数和谐振频率，并对影响系统传输效率的因素进行了分析。
采用了单层的反平行PCB线圈，反平行线圈有效地抑制了频率分裂现象，提高了无线传能系统的效率[3]。
采用了单层的加铜片的PCB线圈，降低了线圈的谐振频率[4]。
本文采用部分元等效电路法（PEEC）和有限元法（FEM）对发射线圈进行优化。
本文采用的是加铜片的PCB线圈，并分析了铜片对PCB 线圈性能的影响。
1 PCB线圈的建模1.1 PEEC方法建模PEEC是由Ruhli于1974年首先提出的一种三维道题结构电磁场组合建模方法[5]。
纳米陶瓷复合材料左手性质材料的理论研究
谢 谢！
ω为外加电磁波的频率，c为光速 。可见，当θ取某一数值时，F(θ)能 取到无穷大，具有表征电磁共振本性的作用 。
c c
由于分散的球形金属磁性颗粒是具有色散性质的，其介电常数和 磁导率随电磁波的频率而变化。对于有色散现象的球形杂质，其相 对介电常数采用Drude模型和相对磁导率表示为：
ω2 p , ε 2(ω ) = 1 − 2 ω − iγω
纳米金属陶瓷左手材料的理论研究
1 理论基础 2 模拟结果与分析
1 理论基础
根据Lewin的理论，对于无损耗的金属陶瓷来说，当构成图2所示 的结构时，相对介电常数和磁导率可用下式表示：µr1和εr1是基体的相 对磁导率和介电常数，µr2和εr2是金属颗粒的相对磁导率和介电常数
ε′re =εr1(1+
2(sin θ − θ cos θ ) 2(sinθ −θ cosθ) ,, 2 2 (θ − 1) sin θ + θ cos θ (θ −1 θ +θ cosθ )sin
ω ω θ = k0a ε 2µ 2 = a ε 2µ 2 对于无损耗材料，则 θ = k 0 a ε ′′rr2 µ ′′rr2 = a ε ′′rr2 µ ′′rr2
可以认为在发生共振的频率区间34ghz内由于金属颗粒的tan004对材料的左手特性没有影响只是对介电常数的大小有影响edwardfkuester等对相对介电常数实部随tan的变化的研究结果5005008007006005004003002001对模拟结果影响很大初始参数的变化会导致实现左手材料的颗粒尺寸和体积分数微波频率在不同的范围内选取
50
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3.9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
左手材料结构变化对微波透射的影响
目前 的左 手 材 料 是 由一 定 的结 构 单 元 按 照 空 间周 期 性 排 列 而 成 ， 其 研 究 主要 集 中在 微 波 波段 ， 献 ＿ 对 文 】【 就
是 针 对 金 属 线 及 Ｓ ｓ与 电磁 波 的相 互 作 用 行 为 进 行 深 入 研 究 的． ＲＲ 由于 这 种 材 料 的 构 成 决 定 了 电磁 波 在 其 中 的 唯
一
响 应 ， 其 应 用 受 到 极 大 限制 ． 外 ， 想 左 手 材 料 在 可 见 光 或 更 高 频 段 中 产 生 左 手 效 应 ， 材 料 结 构 单 元 将 会 使 另 要 其
延 伸 到 分 子 、 子 尺 度 ， 备 工 艺 将 依 赖 化 学 合 成 ， 化 学 合 成 方 法 由 于 自身 的 特 点 ， 然 会 使 材 料 结 构 存 在 微 观 原 制 而 必 单 元 尺 度 不 均 等 问题 ． 此 ， 究 左 手 材 料 结 构 变 化 对 微 波 透 射 的影 响 就 具 有 十分 重 要 的 意 义 ． 因 研 左手 材料 结构 的改变～ 般有 两种 形式 ， 是 获得负 磁导率 的 Ｓ 一 ＲＲ 改 变 ， 获 得 负 介 电 常数 的 Ｒｏ 而 ｄ不 变 ； 二 是 获得 负磁 导率 的 Ｓ ＲＲ不 变 ， 获 得 负 介 电 常 数 的 Ｒｏ 而 ｄ改 变 ． 者 已 有 文 献 报 道 Ｊ 本 文 利 用 ＨＦ Ｓ 前 ， Ｓ ９软 件 对 左 手 材 料 不 同 结 构 进 行 仿 真 实 验 ， 不 同 结 构 的 散 射 参 数 进 行 比较 分 析 ， 对 微 波 透 射 的影 响 进 行 了研 究 ． 对 并
曾 令宏 苏 ， 力
（． １柳州师范高等专科学校 物理与信 息科学 系 ， 广西 柳州 ５ ５０ ２ 南宁地区教育学院 ， ４ ０４；． 广西 南宁 ５ ００ ） ３０ １
一种斜三角开口对环结构的双频段左手材料
在该结构中传播时 ， 位于介质板两侧的磁谐振器和金属导线会产生耦合 ， 增大了电磁波传播时的损耗 ． 为了降 将金属导线与磁谐振器设置在介质板的同侧 ， 形成斜三角开口对环结合金属短线的共面结构 ， 如图 １ 低损耗 ， （ ） 所 示． 建 立 两 者 的 等 效 电 路 模 型， 如 图 ２ 所 示， 斜 三 角 开 口 对 环 结 构 的 磁 谐 振 频 率 ｆｍ ｂ １ ＝１ ／ １ ２ ［ （ ， ／ ， 其中Ｌｍ ２ Ｌｍ Ｃｍ Ｌ Ｃｍ ２ Ｌ Ｃ 为对环间产生的等效电 π １ １） ］ １ ＝８ １， １ ＝Ｃ １ 为斜三角开口对环产生的等效电感 ， 所以 ， 容．
２ ０ １ ２年８月 第３ ９卷 第４期
西安电子科技大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｘ Ｉ Ｄ Ｉ ＡＮ ＵＮ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ
Ａ ｕ ． ２ ０ １ ２ ｇ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９ Ｎ ｏ ． ４
： ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ １ ２ ４ ０ ０． ２ ０ １ ２． ０ ４． ０ ３ ０ － ｊ
收稿日期 ： ２ ０ １ １ １ ０ ０ ７ ２ ０ １ ２ ０ ３ ２ １ － － 网络出版时间 ： － － ） ； ） ； 基金项目 ： 陕西省自然科学基金研究重点资助项目 （ 陕西省自然科学基础研究资助项目 （ 陕西省自然科学基 础 研 ２ ０ １ ０ Ｊ Ｚ ０ １ ０ Ｓ Ｊ ０ ８ Ｚ Ｔ ０ ６ － ） 究计划资助项目 （ ２ ０ １ ２ Ｊ Ｍ ８ ０ ０ ３ ， ： 作者简介 ： 李文强 （ 男， 空军工程大学博士研究生 ， １ ９ ８ ７－ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｆ ｗ ｍ ｌ ｗ ２ ６． ｃ ｏ ｍ． ＠１ ｊ ｙ ｑ ： ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版地址 ： ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ６ １． １ ０ ７ ６． ＴＮ． ２ ０ １ ２ ０ ３ ２ １． １ ５ ３ ８． ２ ０ １ ２ ０ ４． ２ ０ ８ ０ ３ ０． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ
基于多开口环的宽频左手材料设计
第47卷第5期人工晶体学报Vol.47 No.5 2018 年5 月_________________________JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS________________________May,2018基于多开口环的宽频左手材料设计武文轩，项铁铭，马俊(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，杭州310018)摘要:本文提出一种宽频左手材料结构，其通过多开口谐振结构在不同频带实现谐振。
通过理论分析，软件仿真与 介质参数提取对设计结构左手特性进行验证。
结果表明该结构在谐振频带具有宽频左手特性(等效磁导率M与等 效介电常数6：均小于零），左手频带为:10.3〜18.35 GHz，相对带宽57.71%，单元损耗小于0. 9 dB，相较于传统左 手材料结构，左手频带更宽，并且结构简单易于分析和应用。
关键词:左手材料;宽频带;多开口环结构中图分类号:0649 文献标识码:A 文章编号：1000-985X( 2018) 05-1066-04 Design of Wide Broadband Left-handed Material Based on Multi-splite RingWU Wen-xuan，XIANG Tie-ming，MA Jun(H angzhou Institute of Antenna and Microwave Technology, Hangzhou Dianzi U niversity, Hangzhou 310018, C hina)A bstract：This paper presents a broadband left-handed material structure that resonance is achieved indifferent frequency bands through a multiple opening resonant structure. Through theoretical analysis, software simulation and media parameter extraction, the left-handedness of the design structure is verified. The results show that the structure has wide-band left-handed characteristics ( equivalent permeability [x and equivalent dielectric constant s are less than zero) in the resonance frequency band, the left-hand band is 10. 3 to 18. 35 GHz, the relative bandwidth is 57. 71% , the unit loss is less than 0.9 dB, Compared with the traditional left-handed material structure, the left-handed band is wider, andthe structure is simple and easy to analyze and apply.Key w ords：left-handed material；broadband；multi-split ring resonator1引言左手材料(left-handed m aterial，L H M)是一种人工电磁材料，通过周期性排列的单元结构实现介质等效磁导率M与等效介电常数s均为负值的左手特性。
基于多开口谐振环的双频左手材料设计
基于多开口谐振环的双频左手材料设计佚名【摘要】基于多开口谐振环结构,提出一种双频宽带左手材料.结构由正方形谐振环与工字型负载线组合而成,具有频带宽、频率可调与易于加工的特点.通过软件仿真与样品测试提取等效介质参数,结果表明该结构左手频带分别位于7.8～8.2 GHz和8.4～13.4 GHz,左手带宽共计5.4 GHz.相较于传统结构,该结构带宽更宽且在一定范围可对左手频带进行调节.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)006【总页数】6页(P682-687)【关键词】左手材料;多开口结构;双频带;频带可调;宽频带【正文语种】中文【中图分类】TN12;TN91引言左手材料是指等效磁导率与等效介电常数均为负的人工周期结构. 其理论由苏联的Veselago 率先提出[1]. 2001年Smith等利用金属细线与开口谐振环结构首次实现了左手材料[2],并提出等效介质参数计算模型[2-3],这引发了国内外研究者们的极大兴趣. 由于左手材料具有负折射率与后向波等奇异特性,在天线的小型化与性能提升[4-5]以及微波组件的设计[6]等方面具有重要应用价值.随着左手材料的发展,各种不同类型结构不断涌现,左手特性从单一频带拓展至双频甚至多频带. 目前双频左手材料主要有两种实现方式:第一种通过增加谐振单元实现;第二种通过改变谐振单元内部尺寸与对称性实现. 早期研究大多采用第一种方法,例如C.Sabah等人[7]提出三角形谐振环结构以及李文强等人[8]提出的斜三角对环结构都是通过增加谐振环结构的方式实现双频左手特性,除此之外还有树枝结构、螺旋线结构、发夹结构等双频结构[9-12]. 增加谐振结构提升了设计难度并使得结构尺寸明显上升,且其左手带宽较窄大都不超过1 GHz. 因此研究者提出了调整单元内部尺寸与对称性实现双频特性的新方案,例如杨怀等人的开口六边形环结构[13],易强等人的S型结构[14]以及一些矩形环的改进结构[15-16]. 此类设计简化了结构并拓宽了左手特性频带,使得设计结构的左手带宽合计达到2 GHz以上.为了进一步提高双频左手材料的特性带宽,本文提出一种正方形多开口谐振环左手材料,其电谐振结构与磁谐振结构集成于介质板一侧,结构简单且对称性良好,左手频带共5.4 GHz. 通过电磁仿真与样品测试对结构左手特性进行验证,结果表明:该结构的左手频带为7.8～8.2 GHz和8.4～13.4 GHz. 相较于前人设计,本文设计结构简单,拓宽了左手频带,并且在一定范围内可实现振环尺寸对左手频带位置的调节.1 左手材料的结构本文采用谐振结构组合的方式进行设计. 电磁波入射电谐振单元与磁谐振单元产生谐振并分别在特定频率产生等离子体效应[2]. 当二者谐振频率重合时,实现结构的左手特性.如图1所示,磁谐振单元为正方形谐振环结构. 相应尺寸分别为:h1=3.5 mm、h2=2.7 mm,e=0.2 mm,w1=w2=0.2 mm、b=0.4 mm. 电谐振单元采用工字型负载线(capacitively load strips, CLS)结构[2]. 调节谐振环与负载线尺寸,使电磁谐振结构在相同频段实现结构等离子体效应,结构尺寸如图2所示. 其中负载线长l=9.5 mm、w=6.0 mm、线宽为lw=0.4 mm、结构间距la=1.0 mm、lb=1.0mm、lc=0.7 mm. 基板材料为环氧树脂,相对介电常数4.4,厚度d=0.8 mm.图1 正方形谐振结构Fig.1 Square resonant structure图2 左手材料结构模型及其尺寸Fig.2 Structure model and dimensions of left-handed materials2 左手材料的仿真与验证2.1 仿真分析与参数反演首先,通过电磁仿真软件HFSS对图2中结构建模并将其置入波导模型中. 为模拟波导中电磁波,将YOZ面设为理想电边界(perfect electric conductor,PEC),XOY面设为理想磁边界(perfect magnetic conductor, PMC),使电磁波沿Y轴方向入射,如图3所示. 仿真得S参数如图4所示,该结构谐振点位于8.1 GHz与9.2 GHz. 在两谐振点附近,相位同时发生明显突变,这是左手材料的重要特征[12].图3 结构仿真示意图Fig.3 Schematic diagram of structural simulation(a) 幅度曲线(a) Amplitude curve(b) 相位曲线(b) Phase curve图4 传输参数幅度和相位曲线Fig.4 Amplitude and phase curves of transmission parameters其次,为进一步验证结构左手特性,对仿真数据进行参数反演提取其等效介质参数[15-16]. 将S参数带入式(1)与式(2),求得等效阻抗与等效折射率. 再将所得结果带入式(3)与式(4)求得等效介电常数与等效磁导率．(1)(2)(3)μr=neff·Zeff.(4)式中:k为入射波波数;d为介质的厚度.通过对不同的间距进行对比,最终选取单元间距为5 mm．仿真结果如图5所示,该结构在7.7～8.2 GHz与8.4～15.6 GHz具有负折射率,并且等效阻抗在相应频段都为正;在7～7.3 GHz,7.8～8.2 GHz与8.4～13.4 GHz等效磁导率为负;在7.8～8.2 GHz与8.4～15.9 GHz等效介电常数为负. 综合上述数据可以验证,该结构具有双频左手特性,左手频带为7.8～8.2 GHz和8.4～13.4 GHz.(a) 等效折射率曲线(a) Equivalent impedance curve(b) 等效阻抗曲线(b) Equivalent impedance curve(c) 等效介电常数曲线(c) Equivalent dielectric constant curve(d) 等效磁导率曲线(d) Equivalent magnetic conductance curve图5 等效介质参数曲线Fig.5 Equivalent medium parameter curve2.2 谐振环尺寸对左手特性影响由于等效介电常数与等效磁导率实部较虚部变化更明显,故对他们的实部进行分析. 如图6(a)所示,等效介电常数实部曲线在6～10.4 GHz产生偏移,曲线随外环h1减小向右侧移动,且偏移量逐渐减小. 同时如图6(b)所示,等效磁导率在6～9.6 GHz也随h1向右侧偏移频移. 谐振环的尺寸变化会使等效介电常数与等效磁导率曲线仅在特定频段发生明显偏移,偏移量随尺寸减小而减小.同时h1减小使两左手频带产生偏移,h1与左手频带详细关系数据如表1所示. 当h1减小时,低频左手频带右移且较高频左手频带偏移更明显. 这使两左手频带间距减小,最终当h1=3.3 mm时两左手频带实现融合. 综上,在6～10 GHz频段内通过改变h1可以实现对结构左手频带的控制.(a) 等效介电常数实部与外环关系(a) The relationship between the real partand the outer ring of the equivalent dielectric constant(b) 等效磁导率实部与外环长关系(b) The relationship between the real part of equivalent magnetic conductance and the outer ring length图6 传输参数幅度和相位曲线Fig.6 Relationship between constitutive parameters and outer ring length表1 不同外环长h1的左手频带Tab.1 Left-handed band with different outer ring length h1h1/mm低频左手频带/GHz高频左手频带/GHz 3.77.5～7.78.1～13.2 3.67.7～8.18.3～13.3 3.57.8～8.28.4～13.4 3.48～8.48.5～13.5 3.38～13.62.3 实验测试与结果本文选取波导测试系统对左手材料的等效介质参数进行计算与分析,通过测量波导两端散射参数并利用相应算法可以快速便捷地获取测试介质的相关参数.同时为了验证设计结构的双频左手特性,选取h1=3.5 mm制作样品. 采用矩形波导法对样品进行测试,测试系统结构如图7所示. 选取BJ100矩形波导联合罗德施瓦茨zva40矢量网络分析仪搭建波导测试系统对样品进行测试,测试波段选取波导的主模频率(8～12.5 GHz). 通过结构在此频段的测试结果来验证结构的左手特性. 分别将测试与仿真所得S参数进行介质参数提取,图8(a)与(b)所示为等效介电常数与等效磁导率测试与仿真对比曲线. 由图8可见,相对仿真曲线,测试曲线左手频带间距更宽且存在一定频偏. 误差主要是由于样品制备时存在一定尺寸误差,通常对不同样品多次测量使误差减小．而测试结构中填充的ERP海绵支撑结构可能也会使测试曲线产生一定右移.图7 测试结构与波导测试系Fig.7 Test structure and waveguide test system(a) 介电常数实部(a) Real part of dielectric constant(b) 磁导率(b) Magnetic conductance图8 仿真测试数据对比Fig.8 Comparison of simulation and measurement data3 结论本文提出一种基于正方形多开口谐振环结构的双频带左手材料. 结构左手频带为7.8～8.2 GHz和8.4～13.4 GHz,绝对带宽5.4 GHz,相比前人设计的左手带宽有明显提高,并通过研究谐振环尺寸与左手频带关系发现可以通过改变谐振环尺寸影响谐振环间耦合实现对左手频带的控制.参考文献【相关文献】[1] VESELAGO V G. 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一种具有谐振特性的左手材料结构设计与仿真
一种具有谐振特性的左手材料结构设计与仿真邢晓瑞;张洪欣;黄丽玉【摘要】This paper proposed a new meta-material unit with resonance characteristic. Its structure is based on the theory of resonance type left-handed materials design. Using the CST electromagnetic simulation software, the resonant characteristics of the structure were analyzed. Furthermore, the equivalent permittivity, permeability and the wave vector were extracted from scattering parameters. The results show that underthe condition of four structural units, there exists a pass-band of 10.89-11.49GHz which consists of a 10.89-11.31GHz right-handed pass-band and an 11.31-11.49GHz left-handed pass-band. The band-pass characteristic of the structure could be widely used in the X band microwave device.%文章提出了一种具有谐振特性的左手材料结构单元。
该结构基于谐振型左手材料理论设计，使用CST电磁仿真软件，分析了该材料结构的谐振特性，并进一步提取出该材料的等效介电常数、等效磁导率和波矢量。
微 波 集 成 电 路 论 文解析
微波集成电路期末报告题目：基于左手材料的定向耦合器技术研究姓名：杨一学号：1040811704专业：通信工程（微波方向）所在系：电子信息工程系目录1. 前言 (3)2. 左手材料的介绍 (4)2.1 逆多普勒效应 (4)2.2 负折射率现象 (4)2.3 逆Goos-Hanchen位移效应 (5)2.4 逆Cerenkov辐射效应 (6)3. 左手材料的发展 (7)3.1 左手材料的概念起源于理论研究 (7)3.2 新世纪初左手材料问世引起瞩目 (7)3.3 国内研制单一结构同时实现“双负” (8)4. 微波四端口元器件 (10)4.1 多端口微波器件简述 (10)4.2 无耗可逆四端口网络的基本性质 (10)4.3 定向耦合器基本概念 (11)4.3.1 定向耦合器的简单机理 (11)4.3.2 对称理想定向耦合器的散射矩阵 (12)5. 技术路线 (15)5.1 定向耦合器的主要技术指标 (15)5.2 耦合度C (15)5.3 隔离度I (15)5.4 带宽的各种定义 (16)6. 利用Ansoft HFSS 设计环形定向耦合器 (17)6.1 设计要求 ........................................................................ 错误！未定义书签。
6.2 仿真过程 ........................................................................ 错误！未定义书签。
6.3 测试结果与数据分析 (23)6.4 结论 (23)7. 左手材料应用展望 (24)参考文献 (25)1.前言本人的论文题目是《基于左手材料的定向耦合器技术研究》。
定向耦合器是一种通用的微波、毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
微波电基本振子实验总结
微波电基本振子实验总结引言微波电基本振子是一种重要的电磁波源，广泛应用于通信、雷达、天文等领域。
本文将对微波电基本振子实验进行总结，介绍实验目的、原理、步骤和结果分析，以及实验中的注意事项和改进方式。
一、实验目的1.了解微波电基本振子的工作原理和特性。
2.掌握微波电基本振子的调谐技术。
3.熟悉微波信号的检测和测量方法。
二、实验原理微波电基本振子是由微波源、谐振腔和调谐元件组成的。
微波源产生一定频率的微波信号，经过调谐元件调节频率后，进入谐振腔。
谐振腔是由金属盒和微波吸收材料构成的封闭空腔，能够在特定频率下产生共振现象。
微波信号在谐振腔内来回反射，形成稳定的驻波场分布，从而产生稳定的微波信号输出。
三、实验步骤1.搭建实验装置：将微波源与谐振腔通过调谐元件连接起来，确保电路连接正确。
2.调谐工作：通过调节调谐元件，使微波信号频率与谐振腔的共振频率相匹配。
可以根据共振现象的表现来判断是否调谐成功，如输出信号强度最大、回波消失等。
3.测量实验数据：使用微波功率计、频率计等仪器，测量微波信号的功率、频率等参数，并记录实验数据。
4.分析实验结果：根据实验数据，分析微波电基本振子的工作状态和特性。
可以通过改变调谐元件的位置或形状，观察其对振子频率的影响。
5.总结实验经验：根据实验过程中的观察和调整，总结出一些实验经验和技巧，为以后的实验工作提供参考。
四、实验结果分析通过实验观察和数据记录，可以得到微波电基本振子的工作频率范围、输出功率、调谐灵敏度等参数。
通过分析这些参数，可以评估微波电基本振子的性能，并与理论模型进行比较。
在实验中，还可以通过改变谐振腔的尺寸、材料等因素，进一步调节微波信号的频率和输出功率。
五、注意事项1.实验过程中要注意安全，避免触电或短路等事故。
2.谐振腔的尺寸和材料对微波信号的频率和输出功率有重要影响，需要仔细选择。
3.调谐元件的调节要小心谨慎，避免损坏微波电基本振子。
4.实验环境要保持整洁，避免尘埃和杂质对实验结果的影响。
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磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计3王甲富1) 屈绍波1)2) 徐 卓2) 张介秋1) 杨一鸣1) 马 华1)1)(空军工程大学理学院,西安 710051)2)(西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室,西安 710049)(2007年12月7日收到;2008年2月29日收到修改稿) 用磁谐振器和电谐振器组合构成左手材料是设计左手材料的一个重要方法.基于这一设计方法,提出了能够抑制双各向异性的磁谐振器和电谐振器设计原理,即单回路镜像对称设计原理和双(四)回路镜像对称设计原理.根据这两个设计原理,设计了具有双负特性(负介电常数和负磁导率)的新结构,并通过实验仿真验证了结构的双负特性,从而验证了两种设计原理的正确性.所提出的两个设计原理以及新结构对于设计新型左手材料具有重要的实际意义和指导意义.关键词:左手材料,单回路镜像对称,双回路镜像对称PACC :4270Y,7430G,77853国家自然科学基金(批准号:10474077,50632030)和陕西省基础研究计划(批准号:2005E15)资助的课题.11引 言 1968年,前苏联科学家Veselag o [1]对电磁波在介电常数和磁导率同时为负的媒质中的传播特点作了理论研究.1999年,英国皇家学院的Pendry 等[2]提出了具有双负特性的左手材料结构理论,即用金属线来实现负介电常数,用开口谐振环(split ring res onator ,简记为SRR )的磁谐振来实现负磁导率,并提出了相应的理论.Smith 等[3]根据Pendry 等提出的理论模型,设计出了SRR 和金属线阵列构成的左手材料结构,并通过棱镜实验验证了这种结构的负折射系数.此后,对左手材料的研究不断深入,Marques 等[4]深入研究了SRR 的极化率,并提出了可以避免双各向异性(bianis otropy )的宽边耦合开口谐振环.Sauviac 等[5]系统地建立了SRR 的理论模型,通过此理论模型具体分析了SRR 的准静态极化率以及谐振极化率,并且提出了决定SRR 谐振频率的电容和电感的计算公式.张富利等[6]研究了谐振频率可调的环状SRR 及其效应,通过金属短杆与SRR 之间的附加电容来调节传统磁谐振器的谐振频率.Padilla 等[7]提出了取代金属线用以实现负介电常数的各种结构,并称这些结构为电谐振器(electric res onators ).刘亚红等[8]用H 形结构单元同时实现了负磁导率和负介电常数,这种结构单元结构简单、制作方便,但是由于采用同一个结构实现负磁导率和负介电常数,因而不易对磁导率和介电常数进行分析和调节.2007年,Liu 等[9]提出了通过使电谐振器和磁谐振器(magnetic res onators )的谐振区域重合来实现双负特性的左手材料结构,为设计左手材料提出了一种很好的思路.虽然各国研究者们对左手材料的研究非常广泛,但是主要集中于磁谐振器的研究上,而关于电谐振器的研究和文献都非常少,没有具体的设计理论.基于用电谐振器和磁谐振器构成左手材料的设计思想,本文提出了磁谐振器和电谐振器的设计原理,设计了新结构,并通过实验仿真验证了所设计的左手材料结构的双负特性.2.磁谐振器和电谐振器的设计原理2111磁谐振器的单回路镜像对称设计原理用磁谐振器实现负磁导率的原理如下:由于磁谐振器既具有电容性部分又具有电感性部分,当电磁波入射到磁谐振器上时,由电磁感应定律可知,入射电磁波的磁场会在其上产生感应电流,形成RLC 谐振回路.当磁谐振器发生谐振时,谐振负区域的等第57卷第8期2008年8月100023290Π2008Π57(08)Π5015205物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.57,N o.8,August ,2008ν2008Chin.Phys.S oc.效磁导率为负.为克服磁谐振器结构的双各向异性,即抑制其电响应,磁谐振器的等效电路必须为镜像对称的单回路,所以我们称磁谐振器的设计原理为单回路镜像对称设计原理.图1 磁谐振器结构及其等效电路 (a )磁谐振器结构,(b )等效电路在设计磁谐振器结构时,应该注意其等效电路的单回路镜像对称性.图1为根据单回路镜像对称设计原理设计的一种磁谐振结构及其等效电路.此结构由厚度t =015mm 、边长a =6mm 的正方形基板(相对介电常数εr =2165)以及刻蚀在基板上宽度w =014mm 、厚度可忽略不计的铜线构成,如图1(a )所示.铜线间的间距d =012mm ,开口宽度c =012mm ,正方形铜环的边长b =411mm ,环内外的铜线长度l =212mm.图1(b )为此结构的等效电路,图中C 0为铜环与环外(或环内)铜线之间的电容,C s 为正方形铜环上开口的电容.由图1(b )可知,结构的等效电路在x 方向和y 方向都具有镜像对称性,所以此结构不具有双各向异性.2121电谐振器的双(四)回路镜像对称设计原理图2 电谐振器结构及其等效电路 (a )电谐振器结构,(b )等效电路 用电谐振器实现负介电常数的原理如下:当电磁波入射到电谐振器上时,在入射电磁波的电场作用下,电谐振器上会产生电流.由于电谐振器既具有电容性部分又具有电感性部分,电谐振器的等效电路为一个RLC 谐振回路.当电谐振器发生谐振时,谐振负区域的等效介电常数为负.为克服电谐振器结构的双各向异性,即抑制其磁响应,电谐振器的等效电路必须等效为镜像对称的双回路或四回路,因此我们称电谐振器的设计原理为双(四)回路镜像对称设计原理.由于双回路是镜像对称的,入射电磁波的磁场在电谐振器等效电路的两个回路产生的电流方向相反,电谐振器结构的总磁通量为零,由此抑制了结构的磁响应,整个结构在入射电磁场的作用下只有电响应.在设计电谐振器结构时,应注意设计结构等效电路的双回路镜像对称性.图2为根据双回路镜像对称设计原理设计的一种电谐振结构及其等效电路.此结构由厚度t =015mm 、边长a =6mm 的正方6105物 理 学 报57卷形基板(相对介电常数εr =2165)以及刻蚀在基板上的宽度w =014mm 、厚度可忽略不计的铜线构成,如图2(a )所示.铜线间的间距d =012mm ,开口宽度c =014mm ,“工”字形结构的铜线长b =3mm.图2(b )为此结构的等效电路,图中C 1为“工”字形结构的铜线与“C ”字形结构的铜线之间的电容.由图2(b )可知,此结构的等效电路在x 方向和y 方向都具有镜像对称性,所以此结构不具有双各向异性.3.左手材料结构的设计及实验仿真将磁谐振结构和电谐振结构组合,通过调节它们的谐振频率,使它们的谐振频率区域全部或部分重合,就可以得到由磁谐振结构和电谐振结构构成的左手材料结构.图3 电谐振结构阵列及其透射频谱 (a )电谐振结构阵列,(b )透射频谱图3为图2中的电谐振结构所组成的阵列及其透射频谱.图3(a )中,每排结构之间的距离为6mm.电磁波垂直于谐振器平面入射,其电场和磁场方向如图3(a )所示.图3(b )为此电谐振结构阵列的透射频谱的实验仿真结果.由图3(b )可知,电谐振结构阵列在817—917GH z 之间出现负谐振.在此频率范围内,整个结构的等效介电常数为负值,而其等效磁导率为正值,电磁波基本被反射,所以电磁波的透射率很小(-50—-40dB ).图4为图1所示的磁谐振结构所组成的阵列及其透射频谱.图4(a )中,每排结构之间的距离为6mm.图4(b )为此磁谐振结构阵列的透射频谱的实验仿真结果.由图4(b )可知,此电谐振结构阵列在818—1013GH z 之间出现负谐振.在此频率范围内,整个结构的等效磁导率为负值,而其等效介电常数为正值,电磁波的能量基本被反射,所以透射率很小(-65—-55dB ).图4 磁谐振结构及其透射频谱 (a )磁谐振结构,(b )透射频谱图5为图3(a )和图4(a )的两种结构组合所构成的左手材料结构及其透射频谱.如图5(b )所示,在电谐振结构阵列和磁谐振结构阵列谐振频率区域的重合部分出现了一个通带(912—914GH z ).通带的带宽大约为012GH z ,通带内电磁波的透射率为-10—-7dB.由于电谐振结构和磁谐振结构的谐振频率区域重合,整个结构的等效磁导率和等效介电常数都为负值,具有了双负特性,从而电磁波能够透过结构,且透射率较大.上述仿真结果很好地验证了这种左手材料结构的双负特性,并且说明了所设计的电谐振结构、磁谐振结构以及由它们构成的左手材料结构的正确性.71058期王甲富等:磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计图5 电谐振结构与磁谐振结构组成的左手材料结构及其透射频谱 (a)电谐振结构与磁谐振结构组成的左手材料结构,(b)透射频谱4.结 论磁谐振器和电谐振器组合可以构成左手材料.在设计磁谐振器时,为消除双各向异性,磁谐振器结构的等效电路等效为镜像对称的单回路,即遵循单回路镜像对称设计原理.在设计电谐振器时,电谐振器结构的等效电路为镜像对称的双(四)回路,即遵循双(四)回路镜像对称设计原理.通过实验仿真,验证了根据两个设计原理所设计的左手材料结构的双负特性,同时也验证了这两个设计原理的正确性.本文所提出的两个设计原理以及左手材料结构对于设计新型左手材料结构具有重要的指导意义.[1]Veselag o V p.10509[2]Pendry J B,H olden A J,R obbins D J,S tewart W J1999IEEETrans.Microwave Theory Techn.472075[3]Smith D R,Padilla W J,Vier D C,Nemat2Nasser S C,Schultz S2000Phys.Rev.Lett.844184[4]M arques R,M edina F,Rafii2E l2Edrissi R2002Phys.Rev.B65144440[5]Sauviac B,S im ovski C R,T retyakov S A2004Electromagnetics24317[6]Zhang F L,Zhao X P2007Acta Phys.Sin.564662(in Chinese)[张富利、赵晓鹏2007物理学报564662][7]Padilla W J,Aross on M T,H ighstrete C,M ark L,T aylor A J,Averitt R D2007Phys.Rev.B75041102[8]Liu Y H,Luo C R,Zhao X P2007Acta Phys.Sin.565883(inChinese)[刘亚红、罗春荣、赵晓鹏2007物理学报565883][9]Liu R P,Degiron A,M ock J J,Smith D R2007Appl.Phys.Lett.902635048105物 理 学 报57卷The de sign of left 2handed metamaterials compo sed ofmagnetic re sonators and electric re sonators 3W ang Jia 2Fu 1) Qu Shao 2Bo 1)2) Xu Zhuo 2) Zhang Jie 2Qiu 1) Y ang Y i 2Y ing 1) M a Hua 1)1)(College o f Science ,Air Force Engineering Univer sity ,Xi ′an 710051,China )2)(K ey Laboratory o f Electronic Ceramics and Devices o f Ministry o f Education ,Xi ′an Jiaotong Univer sity ,Xi ′an 710049,China )(Received 7December 2007;revised manuscript received 29February 2008)AbstractIn designing left 2handed metamaterials com posed of magnetic resonators and electric resonators ,tw o design principles ,that is ,the single 2loop m irror 2symmetry design principle and double 2loop (quadruple 2loop )m irror 2symmetry design principle ,were respectively proposed for the design of magnetic resonators and electric resonators.Based on the tw o principles ,new structures with simultaneously negative permeability and perm ittivity were designed.By means of simulation experiments ,the double 2negative property of the proposed structure as well as the tw o design principles was verified.The tw o design principles and structures proposed in this paper are of great practical values in designing new types of left 2handed metamaterials.K eyw ords :left 2handed metamaterials ,single 2loop m irror 2symmetry ,double 2loop m irror 2symmetry PACC :4270Y,7430G,77853Project supported by the National Natural Science F oundation of China (G rant N os.10474077,50632030)and the Program for Basic Research of ShaanxiProvince ,China (G rant N o.2005E15).91058期王甲富等:磁谐振和电谐振结构构成的左手材料设计。