【正文】 ..................................... 6 左手螺旋特性 ..................................................................................... 6 負折射現象 ......................................................................................... 7 逆向多普勒效應 ................................................................................. 7 周期細金屬棒陣列的應用 ................................................................. 8 分裂諧振環(huán)和互補分裂諧振環(huán)的應用 ............................................. 9 復合左 /右手傳輸線的應用 ............................................................. 10 3 異向介質天線 .................................................................................................. 12 天線基礎與定義 ....................................................................................... 12 天線綜述 ........................................................................................... 12 天線的基本性能參數 ....................................................................... 12 微波天線的設計原理 ............................................................................... 14 天線的輻射機理 ............................................................................... 14 天線的場區(qū)和方向圖 ....................................................................... 16 異向介質天線的設計與仿真分析 ........................................................... 18 4 異向介質濾波器 .............................................................................................. 25 微波濾波器的基本理論 ........................................................................... 25 微波濾波器綜述 ............................................................................... 25 微波濾波器的基本性能參數 ........................................................... 26 微波濾波器的設計原理 ........................................................................... 27 濾波 器電路的微波實現 ................................................................... 27 微波低通濾波器 ............................................................................... 29 微帶帶通濾波器 ............................................................................... 31 異向介質濾波器的設計與仿真分析 ....................................................... 34 5 總結與展望 ...................................................................................................... 39 總結 ........................................................................................................... 39 展望 ........................................................................................................... 39 參考文獻 .............................................................................................................. 40 英文原文 .............................................................................................................. 42 中文譯文 .............................................................................................................. 48 致 謝 .................................................................................................................. 52 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 1 1 緒論 引言 異向介質（ Mematerials）是 21 世紀物理學和電磁學領域一個新的詞匯，是指介電常數 ε 和磁導率 μ 中的全為負值的人工合成電磁材料，包括光子晶體、左手材料、復合左 /右手傳輸線、隱身斗篷和超磁性材料等等。長期以來，人們認為異向介質是一種具有天然材料所不具備的超長物理性質的人工合成材料或復合材料 [1]。電磁異向介質是電磁學理論發(fā)展史上的重要事件，為經典電磁理論開辟了嶄新的研究空間，其重大的科學意義及巨大的應用前景對未來通信、 雷達、國防、微電子、醫(yī)學成像等科技和社會發(fā)展將產生極重要的影響。 課題在國內外的研究 概況 本課題研究的主要致力于以下三個方面：異性介質特性的簡單研究、異性介質在微波濾波器中的應用和異向介質在微波天線中的應用。隨著異向介質研究的不斷發(fā)展，其特殊性能的不斷開發(fā)，越來越多的專家學者對基于這種新生材料的微波系統中濾波器與天線的設計產生了濃厚的興趣，不斷推動了微波通信領域的發(fā)展與創(chuàng)新。 異性介質的研究 概況 早在 1968 年，前蘇聯科學家 Veselago 便提出預言 [2]，在同時具有負介電常數和負磁導率的材 料中傳播電磁波，相位的傳播方向和能量的傳播方向相反。在普通介質中麥克斯韋方程確定了一個關于電場強度 E、磁場強度 H和波矢量 K之間的右手規(guī)則。但是當折射率為負值時，波矢量方向與能量方向相反， E、 H、 K形成左手規(guī)則，即異向介質的一種，左手材料。 最近 20 年來，異向介質的研究迅速成為了國際上的一個研究熱點，雖然異向介質這一新的觀念尚未被科學界特別是材料學界完全接受，但作為一種材料設計理念，已開始被越來越多的學者所關注。更為重要的是，它的出現給人們在世界觀層面上帶來巨大的沖擊，昭示可以在不違背基本物理學規(guī)律的前提下， 人工獲得與自然媒介迥然不同的超常物理性質的新媒介。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 2 微波器件研究概況 微波器件即工作在 300~300000MHz 微波波段的器件，按其功能可分為微波振蕩器、功率放大器、微波天線、微波濾波器、微波傳輸線等等，文中我們主要討論微波電路中天線和濾波器的基本原理及設計方法。微波濾波器和天線早已在微波通信、雷達導航、電子對抗等微波系統中得到了廣泛的應用。 電磁波的運動規(guī)律遵從 19 世紀給出的麥克斯韋的理論，麥克斯韋是對法拉第等前人的實驗成果的總結和發(fā)展。六十年代以后，利用動態(tài)控制原理制成的普通微波管的發(fā)展日趨成 熟，科技、軍事、工業(yè)和民用的要求越來越高，消費市場不斷擴大，微波電子管工業(yè)仍在不斷發(fā)展。此外，基礎科學研究的發(fā)展和工藝技術的不斷突破，新概念、新原理、新結構、新工藝、新管種不斷出現，微波電子學和微波器件正向新的高度和新的領域迅速發(fā)展，這種發(fā)展集中表現在以下幾個方面： 、高可靠和長壽命； 電子學和微波固態(tài)器件； ； 及其應用； 。 微波器件的發(fā)展歷史是豐富多彩的，微波電子學與微波器件的含義與科學領域已遠遠超越三十年代或五十年 代的真空微波的范疇而更加寬廣、水平更高了。微波器件的應用遠遠超過發(fā)展初期的狹隘領域，并以進入尋常百姓家。 高頻仿真軟件 Ansoft HFSS 的介紹 Ansoft HFSS 簡介 Ansoft 公司是全球領先的電子設計自動化軟件商，成立于 1984 年，全波有限元算法和自適應網格剖分技術構成了 Ansoft 公司在電磁場仿真領域的兩大核心競爭力 。 作為 Ansoft 公司的招牌產品， HFSS(High Frequency Structure Simulator)是針對任意三維結構進行電磁場仿真的全波有限元軟 件，能快速、精確、可靠的計算高頻高速器件的電氣性能，本課題主要應用 HFSS 計算高頻電磁器件的電磁場分布、元器件的 S 參數、天線輻射特性、電磁波吸收比率、時域反射和時域傳輸。 HFSS 軟件對于研究對象的離散化采用四面體和三角形網絡剖分，對結構有廣泛的適應性，使用 HFSS 仿真軟件成為工程化的仿真工具，確保了求解的可靠性，能夠在求解精度和求解速度上獲得最佳均衡。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 3 建立 HFSS 工程的一般過程 （ 1）運行 Ansoft HFSS； （ 2）點擊新建按鈕，在當前工程中插入一個設計； （ 3）選擇求解類型， Driven Modal、 Driven Terminal 或者 Eigenmode； （ 4）為建立模型設置合適大單位，通常選擇單位為 mm； （ 5）在 3D 窗口中建立模型； （ 6）設置需要的輻射邊界； （ 7）若果選擇激勵求解或激勵終端求解，則需要為模型設置激勵； （ 8）設置求解頻率及掃頻等操作； （ 9）點擊“ ”按鈕，檢查當前工程的有效性； （ 10）點擊“ ”按鈕，運行當前工程； （ 11）對已求解的工程創(chuàng)建結果報告。 本文研究內容 對異向介質特性進行了研究 首先，研究了異向介質的左手螺旋特性、負折射率現 象和逆向多普勒效應。并給出了這些異常性質的產生原理及結論的簡單推導過程。 其次，對異向介質中的典型結構，細金屬棒陣列、分裂諧振環(huán)、互補分裂諧振環(huán)以及復合左 /右手傳輸線的工作原理進行了闡述，并給出了這些結構的典型應用 。 對 異性介質天線 和濾波器 進行了研究 介紹了天線 和濾波器 的基本理論，主要性能參數以及 微波天線和濾波器的設計原理，分別應用互補分裂諧振環(huán)、 交指 型結構、缺陷地結構 、復合左/右手傳輸線結構 設計了新型 的微波 天線 和濾波器 ，并給出了仿真結果。 論文的結構安排 本文圍繞異向介質特性及其在微波器件 中的應用展開研究，共分為 5 個章節(jié)，各章的主要內容如下 : 第一章：概述異向介質特性 的研究背景，異向介質和微波器件在國內外的研究現狀及發(fā)展趨勢， 介紹高頻仿真軟件 HFSS 的基本性能及操作原理 。中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 4 簡單介紹本文的研究工作和結構安排 。 第二章：簡要說明 異向介質的產生與發(fā)展進行，重點進行異向介質特性的分析與研究，并指出異向介質在 物理學、 電磁學 等 學科領域中的應用。 第三章：闡述天線的定義及基本原理，進行微波天線設計原理的論述與總結，最后進行新型異向介質天線的設計、仿真與結果優(yōu)化。 第四章：闡述微波濾波器的基本理論與設計原理， 并應用高頻仿真軟件HFSS 進行新型異向介質濾波器的設計、仿真與結果優(yōu)化。 第五章：總結整個研究內容，并對后續(xù)工作進行展望。