超材料报告
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
外加电磁场下材料电偶矩、磁偶矩引起的电磁损耗
2.3 铁氧体材料的吸波原理
损耗因子tan 可表示为
tan tan E tan M
(6-2)
电磁波垂直入射时，反射可由反射系数表示
Z1 Z 2 Z1 Z 2
(6-3)
波阻抗定义为
Z E H
Z in 1 Z in 1
(dB)
(6-7)
铁氧体吸波材料的匹配条件为
2 πd tanh i 1
(6-8)
3 实验样品设计
3.1 利用开口环设计通带滤波器
设计要求 在超宽带频段内设计5.2、5.8 或 8 GHz的单一陷波特性滤波器 设计方法 • 引入折叠开口环结构 • 引入开口环缺陷地结构
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
eff
3lc0 πr 2 l 1 2 1 i 2 3 a π r ln2c / d r 0
2 2 1
(1-22)
(3) 复合传输线形成LHM材料的基本原理 A 右手传输线的电磁参数
右手传输线等效电路
左手、复合左右手传输线等效电路
•左手材料 (Double Negative Material，DNG)
Rod周期结构的ENG材料
SRR周期结构的MNG材料
Rod、SRR结构DNG材料
2.1 人工电磁超材料概述 (4) 人工电磁材料的主要应用 (a) 应用领域 传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统 (b) 实现功能 • 微波器件小型化、定向天线 • 微波吸收
2
1
(1-16)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
比较式1-12、式1-16
eff
Bave πr 2 1 2 1 i a 0 r
2 1
0 H ave
(1-17)
无限长周期排列金属棒可以降低磁导率 对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为
iπr 0 ( H 0
2
πr a
2
2
j j ) ( 2 πr
1 iπr C
2
)j
(1-18)
C
0
d
1 d 0 c
2
(1-19)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 周期排列的开口环的等效磁导率
eff 1
1 πr 3dc
2 2 2
a
3
2
2
π r
i
i i s( )
s( ) 2 2 2 2 2 L k i ( se )( sh ) L R R
2 2
(1-31)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当 s()=1时相位因子为正值，相速与群速平行同向，表现为
右手材料的传播特征
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当[min(se, sh), max(se, sh)] 时， 为一实数 (假定传输
线无耗)，在传播常数与频率的关系曲线中出现凹陷区，构成 了电磁波传播的阻带区域 对于CRLH
• 电磁(光)隔离或导通
• 表面波抑制 • 隐身、负折射
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料的基本工作原理 (1) 周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理 存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子 体谐振，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为
(1-8)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
meff
0e r n
2 2
2
a ln r
(1-9)
将式1-4、式1-9代入式1-2
p
2
neff e
2
0 meff
2 πc
2
2
a ln( a r )
(1-10)
将式1-10代入式1-3，并同时代入 因子的表达式
eff 1 p
i
Z Y
(1-27)
CRLH传输线的Z、Y分别为
1 Z ( ) i(L ) Z Z R R L C L 1 Y ( ) i(C R ) YR YL L L
(1-28)
传输线的特性阻抗为
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
Z0 Z Y ZL ( / se ) 1
2
( / sh ) 1
2
(1-29)
L R CR
1 L C L R
其中
ZL
L L CL
1 L C R L
ZR
(1-30)
sh
se
传输线的传播常数为
Z 1 2 LR eff i CL Y 1 eff CR 2 i L L
(1-32)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当角频率0时，eff=-1/(2CL)，eff=-1/(2LL)，趋同于
折叠开口环
缺陷地结构
滤波器模型
3 实验样品设计 优化计算
0
0 -10
-5
S Parameter (dB)
-20
S21 (dB)
-30
-10
-40
-15
-20 0 2 4 6 8 Frequency (GHz) 10
w=1.8 w=2.3 w=3.4
12
-50 S11 S21 0 5 10 15
-60
Z 1 1 1 2 0 eff i i C L i CL Y 1 1 1 eff 2 0 i iL i L L L
(1-26)
左手传输线构成了LHM材料
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 C 左右手传输线的电磁参数 由传输线定理，传播常数
neff n πr a
2 2
(1-4)
金属杆电流在空间R处产生的磁场强度为
H ( R) I 2 πR πr nve
2
2 πR
(1-5)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 其中，v为电子的平均速度 用矢量位 A 表示磁场强度，则
H ( R) 0 A
1
(1-6) (1-7)
(1-12)
H0为外加平行于导体的磁场 设柱体内感应电流为 j，则柱体内磁场强度为
H in H 0 j πr a
2 2
j
(1-13)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
环绕金属柱体的总电动势为
t B I R iπr 0 [ H 0 j
2
πr a
2
0a p i 2 πr
2
2
(1-11)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
当< p时，eff 实部为负，即为ENG材料
(2) 周期排列SRR形成MNG材料的基本原理 对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为
Bave 0 eff H 0
其中
A( R )
0 r nve
2
ln( a R )
2
电子在电场中所受冲量为eA，单位长度细金属棒动量改变量
0e r n a 2 2 Pe eπr nA( r ) ln πr nv meff πr nv 2 r
2 2 2
其中，电子有效质量meff为
人工电磁材料在微波器件中的应用
杨宏春
2012年05月
讲授内容
1 实验目的
2 实验原理
3 实验样品设计 4 实验设计作业 5 实验测试 6 实验报告(设计报告)
实验目的与实验原理 1 实验目的 (1) 了解人工电磁材料的基本工作原理及其应用现状 (2) 利用人工电磁材料设计微波器件(时域、频域)
(3) 掌握微波器件主要参数的实验测试方法
metal 1 p
2
2
(1-1)
其中，等离子体频率p为
p
2
ne
2
0 me
(1-2)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为
normal 1 p
2
( i )
(1-3)
其中， 表示电子与中性粒子的散射频率 视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为
2
(1-20)
r 0
对平面排列的SRR结构，考虑到双环之间的电容
0 2c 2c C ln ln 2 π d π 0 c0 d
2
0
(1-21)
1
eff
πr 2 l 3l 1 2 1 i 2 2 3 a r 0 π 0 r C
(6-4)
2.3 铁氧体材料的吸波原理
电磁波从自由空间垂直入射铁氧体时，入射阻抗为
Z in
2 πd tanh i
(6-5)
λ为自由空间中电磁波波长；d 为吸波体的厚度 传输系数Tr 为
Tr exp id
(6-6)
铁氧体的反射损耗为
2.3 铁氧体材料的吸波原理
光子晶体模型的典型结构
2.1 人工电磁超材料概述 (b) EBG带隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)
基底周期空洞
高阻抗表面结构
UC-EBG结构
(c) 吸波材料或特殊r 、 材料
RH2100铁氧体
2.1 人工电磁超材料概述 (d) ENG、MNG、DNG 材料 • 负r 、正材料(Epsilon Negative Material，ENG) • 正r 、负磁导率(Magnetic Negative Media，MNG)
对比式1-23与式1-24
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
Z iL R eff L 0 R i i Y i C R eff CR 0 i i
(1-25)
B 左手传输线的电磁参数 对左手传输线，其等效介电常数和等效磁导率表达式为
2 实验原理 2.1 人工电磁材料的基本概念 (1) 人工电磁材料的基本概念 通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具 备的特殊电磁性质的复合结构或复合材料
2.1 人工电磁超材料概述 (2) 典型特征 • 材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值 • 材料参数及其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求 (3) 典型人工电磁材料 (a) 光子晶体 (Photonic Band Gap，PBG)
其中
R
1 L C R R
L
1 L C L L
k L C R L C L L R
1 s( ) 1
min( se , sh ) min( se , sh )
(1-32)
讨论 • 当 s()=-1时相位因子为负值，相速与群速平行反向，表现为 左手材料的传播特征
2
2
j ] 2 πrj
(1-14)
当电动势平衡时，感应电流j可以表示为
j [1 H0 πr a
2 2
] i
2 r
(1-15)
r 0
2
导体外平均磁场强度为
H ave H 0 πr a
2
2
2 πr 2 1 2 i j H0 1 i r 0 a r 0
右手传输线的电压电流方程可以表示为
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
U ZI z I YU z
源自文库
(1-23)
由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁波的解为
E x iH y z H y iE x z
(1-24)
理想左手材料的结构参数 • 而当时，eff=LR，eff= CR，趋同于普通右手材料的 结构参数 2.3 铁氧体材料的吸波原理 电偶极子和磁偶极子吸波可用复介电常数和磁导率描述
i
i
(6-1)
′和′ 分别表征极化和磁化吸收的变量； ″、 ″分别表征
2.3 铁氧体材料的吸波原理
损耗因子tan 可表示为
tan tan E tan M
(6-2)
电磁波垂直入射时，反射可由反射系数表示
Z1 Z 2 Z1 Z 2
(6-3)
波阻抗定义为
Z E H
Z in 1 Z in 1
(dB)
(6-7)
铁氧体吸波材料的匹配条件为
2 πd tanh i 1
(6-8)
3 实验样品设计
3.1 利用开口环设计通带滤波器
设计要求 在超宽带频段内设计5.2、5.8 或 8 GHz的单一陷波特性滤波器 设计方法 • 引入折叠开口环结构 • 引入开口环缺陷地结构
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
eff
3lc0 πr 2 l 1 2 1 i 2 3 a π r ln2c / d r 0
2 2 1
(1-22)
(3) 复合传输线形成LHM材料的基本原理 A 右手传输线的电磁参数
右手传输线等效电路
左手、复合左右手传输线等效电路
•左手材料 (Double Negative Material，DNG)
Rod周期结构的ENG材料
SRR周期结构的MNG材料
Rod、SRR结构DNG材料
2.1 人工电磁超材料概述 (4) 人工电磁材料的主要应用 (a) 应用领域 传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统 (b) 实现功能 • 微波器件小型化、定向天线 • 微波吸收
2
1
(1-16)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
比较式1-12、式1-16
eff
Bave πr 2 1 2 1 i a 0 r
2 1
0 H ave
(1-17)
无限长周期排列金属棒可以降低磁导率 对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为
iπr 0 ( H 0
2
πr a
2
2
j j ) ( 2 πr
1 iπr C
2
)j
(1-18)
C
0
d
1 d 0 c
2
(1-19)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 周期排列的开口环的等效磁导率
eff 1
1 πr 3dc
2 2 2
a
3
2
2
π r
i
i i s( )
s( ) 2 2 2 2 2 L k i ( se )( sh ) L R R
2 2
(1-31)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当 s()=1时相位因子为正值，相速与群速平行同向，表现为
右手材料的传播特征
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当[min(se, sh), max(se, sh)] 时， 为一实数 (假定传输
线无耗)，在传播常数与频率的关系曲线中出现凹陷区，构成 了电磁波传播的阻带区域 对于CRLH
• 电磁(光)隔离或导通
• 表面波抑制 • 隐身、负折射
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料的基本工作原理 (1) 周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理 存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子 体谐振，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为
(1-8)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
meff
0e r n
2 2
2
a ln r
(1-9)
将式1-4、式1-9代入式1-2
p
2
neff e
2
0 meff
2 πc
2
2
a ln( a r )
(1-10)
将式1-10代入式1-3，并同时代入 因子的表达式
eff 1 p
i
Z Y
(1-27)
CRLH传输线的Z、Y分别为
1 Z ( ) i(L ) Z Z R R L C L 1 Y ( ) i(C R ) YR YL L L
(1-28)
传输线的特性阻抗为
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
Z0 Z Y ZL ( / se ) 1
2
( / sh ) 1
2
(1-29)
L R CR
1 L C L R
其中
ZL
L L CL
1 L C R L
ZR
(1-30)
sh
se
传输线的传播常数为
Z 1 2 LR eff i CL Y 1 eff CR 2 i L L
(1-32)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当角频率0时，eff=-1/(2CL)，eff=-1/(2LL)，趋同于
折叠开口环
缺陷地结构
滤波器模型
3 实验样品设计 优化计算
0
0 -10
-5
S Parameter (dB)
-20
S21 (dB)
-30
-10
-40
-15
-20 0 2 4 6 8 Frequency (GHz) 10
w=1.8 w=2.3 w=3.4
12
-50 S11 S21 0 5 10 15
-60
Z 1 1 1 2 0 eff i i C L i CL Y 1 1 1 eff 2 0 i iL i L L L
(1-26)
左手传输线构成了LHM材料
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 C 左右手传输线的电磁参数 由传输线定理，传播常数
neff n πr a
2 2
(1-4)
金属杆电流在空间R处产生的磁场强度为
H ( R) I 2 πR πr nve
2
2 πR
(1-5)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 其中，v为电子的平均速度 用矢量位 A 表示磁场强度，则
H ( R) 0 A
1
(1-6) (1-7)
(1-12)
H0为外加平行于导体的磁场 设柱体内感应电流为 j，则柱体内磁场强度为
H in H 0 j πr a
2 2
j
(1-13)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
环绕金属柱体的总电动势为
t B I R iπr 0 [ H 0 j
2
πr a
2
0a p i 2 πr
2
2
(1-11)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
当< p时，eff 实部为负，即为ENG材料
(2) 周期排列SRR形成MNG材料的基本原理 对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为
Bave 0 eff H 0
其中
A( R )
0 r nve
2
ln( a R )
2
电子在电场中所受冲量为eA，单位长度细金属棒动量改变量
0e r n a 2 2 Pe eπr nA( r ) ln πr nv meff πr nv 2 r
2 2 2
其中，电子有效质量meff为
人工电磁材料在微波器件中的应用
杨宏春
2012年05月
讲授内容
1 实验目的
2 实验原理
3 实验样品设计 4 实验设计作业 5 实验测试 6 实验报告(设计报告)
实验目的与实验原理 1 实验目的 (1) 了解人工电磁材料的基本工作原理及其应用现状 (2) 利用人工电磁材料设计微波器件(时域、频域)
(3) 掌握微波器件主要参数的实验测试方法
metal 1 p
2
2
(1-1)
其中，等离子体频率p为
p
2
ne
2
0 me
(1-2)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为
normal 1 p
2
( i )
(1-3)
其中， 表示电子与中性粒子的散射频率 视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为
2
(1-20)
r 0
对平面排列的SRR结构，考虑到双环之间的电容
0 2c 2c C ln ln 2 π d π 0 c0 d
2
0
(1-21)
1
eff
πr 2 l 3l 1 2 1 i 2 2 3 a r 0 π 0 r C
(6-4)
2.3 铁氧体材料的吸波原理
电磁波从自由空间垂直入射铁氧体时，入射阻抗为
Z in
2 πd tanh i
(6-5)
λ为自由空间中电磁波波长；d 为吸波体的厚度 传输系数Tr 为
Tr exp id
(6-6)
铁氧体的反射损耗为
2.3 铁氧体材料的吸波原理
光子晶体模型的典型结构
2.1 人工电磁超材料概述 (b) EBG带隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)
基底周期空洞
高阻抗表面结构
UC-EBG结构
(c) 吸波材料或特殊r 、 材料
RH2100铁氧体
2.1 人工电磁超材料概述 (d) ENG、MNG、DNG 材料 • 负r 、正材料(Epsilon Negative Material，ENG) • 正r 、负磁导率(Magnetic Negative Media，MNG)
对比式1-23与式1-24
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
Z iL R eff L 0 R i i Y i C R eff CR 0 i i
(1-25)
B 左手传输线的电磁参数 对左手传输线，其等效介电常数和等效磁导率表达式为
2 实验原理 2.1 人工电磁材料的基本概念 (1) 人工电磁材料的基本概念 通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具 备的特殊电磁性质的复合结构或复合材料
2.1 人工电磁超材料概述 (2) 典型特征 • 材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值 • 材料参数及其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求 (3) 典型人工电磁材料 (a) 光子晶体 (Photonic Band Gap，PBG)
其中
R
1 L C R R
L
1 L C L L
k L C R L C L L R
1 s( ) 1
min( se , sh ) min( se , sh )
(1-32)
讨论 • 当 s()=-1时相位因子为负值，相速与群速平行反向，表现为 左手材料的传播特征
2
2
j ] 2 πrj
(1-14)
当电动势平衡时，感应电流j可以表示为
j [1 H0 πr a
2 2
] i
2 r
(1-15)
r 0
2
导体外平均磁场强度为
H ave H 0 πr a
2
2
2 πr 2 1 2 i j H0 1 i r 0 a r 0
右手传输线的电压电流方程可以表示为
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
U ZI z I YU z
源自文库
(1-23)
由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁波的解为
E x iH y z H y iE x z
(1-24)
理想左手材料的结构参数 • 而当时，eff=LR，eff= CR，趋同于普通右手材料的 结构参数 2.3 铁氧体材料的吸波原理 电偶极子和磁偶极子吸波可用复介电常数和磁导率描述
i
i
(6-1)
′和′ 分别表征极化和磁化吸收的变量； ″、 ″分别表征