【正文】 目 錄 iii基于左手材料理念的小型化天線研究畢業(yè)論文目 錄第一章 緒 論 1 研究背景及意義 1 國外左手材料發(fā)展歷史 2 國內(nèi)左手材料的發(fā)展現(xiàn)狀 4 左手材料的應(yīng)用及優(yōu)勢 5 天線覆層可提高天線定向性 5 減少手機輻射對人體傷害 5 隱身技術(shù) 5 屏蔽技術(shù) 5 小型化微波部件 6 論文結(jié)構(gòu) 7第二章 天線基礎(chǔ)理論 9 方向函數(shù) 9 方向圖 10 方向圖參數(shù) 11 方向系數(shù) 12 天線效率 14 增益系數(shù) 15 極化方式 16 輸入阻抗與輻射阻抗 16 頻帶寬度 17第三章 左手材料理論及實現(xiàn)方式 19 左手材料基本理論 19 左手材料的性質(zhì) 21 22 負(fù)折射現(xiàn)象 22 逆多普勒效應(yīng) 23 完美成像 24 反常切倫柯夫輻射 24 反GoosH228。nchen位移 25 左手材料的人工實現(xiàn) 26 傳輸線結(jié)構(gòu)左手材料的實現(xiàn) 26 金屬諧振結(jié)構(gòu)左手材料的實現(xiàn) 27 28 左手傳輸線理論 28 純左手傳輸線理論 28 左手材料實現(xiàn)天線小型化思想 30第四章 左手材料實現(xiàn)天線小型化 33 等效左手材料——“蘑菇結(jié)構(gòu)” 33 N=2時模型及結(jié)果 33 N=4時模型及結(jié)果 39 N=6時模型 46 50第五章 總結(jié)與展望 55致謝 57參考文獻(xiàn) 59 第一章 緒 論 7第一章 緒 論 研究背景及意義 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述物質(zhì)基本電磁性質(zhì)的物理量，人們往往認(rèn)為它們是正值，但實際上介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都可以為負(fù)數(shù)。左手材料(Lefthanded Materials，LHM)就是一種介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的電磁材料，最初由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago于1964年提出。[[] V. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509514, 1968.]與常規(guī)介質(zhì)(Righthanded Medium，RHM)中電場強度及磁場強度、波矢量置服從“右手定則不同，左手材料中它們服從“左手定則。左手材料具有一些獨特的電磁特性，如負(fù)折射效應(yīng)、倏逝波放大、逆多普勒效應(yīng)、逆切比科夫輻射、完美透鏡和亞波長衍射等。利用上述特性，左手材料能夠用于實現(xiàn)平板聚焦、天線波束匯聚，電磁隱身、完美透鏡、超薄諧振器和天線小型化等，在軍事和經(jīng)濟(jì)生活中有著廣泛的應(yīng)用價值。例如，為了實現(xiàn)通信系統(tǒng)的保密性、機動性、易攜帶性以及降低系統(tǒng)的復(fù)雜性等特性，要求設(shè)計的天線具有高方向性、小型化、高增益等，這些特性都可以通過左手材料實現(xiàn)，而且LHM電路板印制實現(xiàn)方式，對于天線共面、易于與PCB板集成等都非常有利，因此LHM對于通信系統(tǒng)和武器裝備的發(fā)展將會起到巨大的推動作用；太赫茲頻段的左手材料可能實現(xiàn)太赫茲電磁波成像，該技術(shù)在軍事、醫(yī)療、反恐等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，如新型雷達(dá)、導(dǎo)航、遠(yuǎn)距離武器探測、醫(yī)學(xué)成像等，其應(yīng)用價值不可估量；紅外波段和可見光頻段的左手材料也有著非常重要的應(yīng)用，如生物安全成像和指紋識別、遙感、微型器件、超靈敏單分子探測器和醫(yī)學(xué)診斷成像等。因此，深入研究左手材料的空間電磁響應(yīng)行為將對左手材料的實際應(yīng)用具有重要的意義。在常規(guī)介質(zhì)微波分析和設(shè)計領(lǐng)域中，傳輸線方法是有效的分析工具之一。利用傳輸線方法來分析左手材料，可以使左手材料的應(yīng)用變得更為直觀、便捷，同時也為左手傳輸線設(shè)計提供了理論依據(jù)。左手材料傳輸線的實現(xiàn)形式是復(fù)合左／右手傳輸線(Composite Right／Left—Handed Transmission Line，CRLH TL)，CRLH特性是在某些頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為“左手特性，具有左手材料電磁特性，而在其它頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為“右手特性”。CRLH開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域，是一種極有可能最先在實際中得到應(yīng)用的左手材料。本文通過研究CRLH理論以及左手材料實現(xiàn)天線小型化的理論依據(jù)，“蘑菇”結(jié)構(gòu)天線及小型超寬帶天線。 國外左手材料發(fā)展歷史 1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago VG發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為負(fù)值的物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)與常規(guī)材料不同，還指出當(dāng)平面電磁波照射在這樣的媒介時，會發(fā)生反常的折射現(xiàn)象，不過其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理論上。1996年P(guān)endry提出了金屬線周期結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可使介質(zhì)的介電常數(shù)為負(fù)。1999年，Pendry等人又用電介質(zhì)體設(shè)計了一種具有磁響應(yīng)的周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了介質(zhì)磁導(dǎo)率的負(fù)值，進(jìn)而展現(xiàn)了負(fù)折射率材料存在的可能性，人們對這種材料也投入了更多的興趣?！≈芷谂帕械慕饘倬€結(jié)構(gòu)2000 年，美國Smith 等首次利用開口諧振環(huán)（SRR）和電諧振器（如開口金屬線）組成的陣列實現(xiàn)了“雙負(fù)”材料。2001年，加州大學(xué)San Diego分校的Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，證明了負(fù)折射材料的存在。2002年，美國加州大學(xué)Itoh教授和加拿大多倫多大學(xué)Eleftheriades教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組幾乎同時提出一種基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)左手材料的新方法。目前基于LC網(wǎng)絡(luò)的左手材料的研究在理論和實驗上都有很大進(jìn)展。研究還表明LC左手材料在微波電路、天線等方面的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。在2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，他稱之為“導(dǎo)向介質(zhì)”。2003年美國Parazzoli C G等人及Houcl等人同時分別進(jìn)行了一系列成功的實驗工作，樣品實驗的數(shù)據(jù)與模擬計算非常吻合，清晰而顯著地展示出負(fù)折射現(xiàn)象；且在不同入射角下測量到的負(fù)折射率是一致的，完全符合Snell定律，證實了左手材料的存在。2002年7月，瑞士ETHZ實驗室的科學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料。美國衣阿華州立大學(xué)（Iowa State University）的S. Foteinopoulou發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果。《自然》雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實驗結(jié)果。左手材料的研制進(jìn)入了美國《科學(xué)》雜志評出的2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。2004年，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所宣布用左手材料研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，這種鏡片可以構(gòu)成不會丟失信息、將所有能量完全復(fù)制到成像點的完美透鏡（Perfect Lens）。其原理是左手介質(zhì)中能流方向和波矢方向相反，左手介質(zhì)中倏逝波表現(xiàn)為指數(shù)增強場，相當(dāng)于透鏡對波進(jìn)行了放大。同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜緊鄰無線電波。兩國科學(xué)家的研究成果被美國物理學(xué)會評為2004年度國際物理學(xué)會最具影響的研究進(jìn)展。2005年， μm的紅外線區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)折射率的人造介質(zhì)左手性特異材料。[[] 全球首例面向紅外線的“左手材料”將成為光通信領(lǐng)域的新旗手（OL）20051222] μm的紅外線在光通信領(lǐng)域已被廣泛采用。在光通信控制技術(shù)方面，此前的研究熱點是硅微細(xì)線光導(dǎo)波路及光子結(jié)晶，而此次LHMs的開發(fā)成功，則提供了一種全新的光控方法。2008年，德國斯圖加特大學(xué)Liu 等制備了多層的U形金納米環(huán)結(jié)構(gòu)，[[] Liu N，Guo H C，F(xiàn)u L W，et al. Threedimensional photonic metamaterials at optical frequencies（J）. Nature Mater，2008，7:31]分別在120 THz和200 THz附近實現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率。利用雙模板輔助化學(xué)電沉積法制備了周期性排列的金屬銀樹枝陣列， 發(fā)現(xiàn)其在紅外波段具有很強的透射通帶，并且在對應(yīng)頻率表現(xiàn)出明顯的平板聚焦效應(yīng)，得到了紅外波段的左手材料。這是首次利用化學(xué)方法制備左手材料，對左手材料的發(fā)展起到了巨大推動作用。同年美國加州大學(xué)伯克利分校Valentine 等用多層魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)第一次在紅外波段實現(xiàn)三維的LHM ，并通過棱鏡折射實驗驗證了其負(fù)折射行為。但是，由于LHM的結(jié)構(gòu)單元遠(yuǎn)小于波長，目前的刻蝕工藝已經(jīng)嚴(yán)重制約了光波段LHM的進(jìn)一步發(fā)展。 國內(nèi)左手材料的發(fā)展現(xiàn)狀2004年，國際學(xué)術(shù)界開始出現(xiàn)中國科學(xué)家的身影。復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組經(jīng)過兩年的研究與設(shè)計，利用水的表面波散射成功實現(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實驗，論文發(fā)表于著名的《美國物理評論》雜志上，引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。利用SRR環(huán)和開口金屬線組成陣列分別實現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)，這種組陣方式的復(fù)雜性增加了制作難度。能否通過單一結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)“雙負(fù)”？國內(nèi)研究者進(jìn)行了嘗試。已經(jīng)報道的有浙江大學(xué)的“S”形 ，復(fù)旦大學(xué)的“工”形 ，西北工業(yè)大學(xué)的“H”形等。2008年6月，西安交通大學(xué)采用一種“巨”字形結(jié)構(gòu)，[[] 楊一鳴，屈紹波，王甲富. 由同時具有磁諧振和電諧振結(jié)構(gòu)組成的左手材料（J）.物理學(xué)報，2009，58（2）：1031~1035]利用絲網(wǎng)印刷在氧化鋁基板上進(jìn)行加工制作，獲得同時具有磁諧振和電諧振結(jié)構(gòu)組成的左手材料。這種單一結(jié)構(gòu)制作方便，雙負(fù)頻段較寬。通過模擬與測試，單一結(jié)構(gòu)中能同時出現(xiàn)電諧振和磁諧振，并且由于諧振負(fù)區(qū)的重合而形成“雙負(fù)”區(qū)域。采用絲網(wǎng)印刷制作的“巨”。 氧化鋁底板測試樣品2008年8月，西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院趙曉鵬研究組在紅外波段左手材料制備方面的研究取得新進(jìn)展。[[] Liu H，Zhao X P，Yang Y，et al. Fabrication of infrared lefthanded metamaterals via double templateassisted electrochemical deposition（J）.Adv Mater，2008，20:2050]采用雙模板輔助化學(xué)電沉積制備金屬銀樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列，制備出大面積（平方厘米級）紅外左手材料。2009年9月，趙曉鵬研究組制備出藍(lán)光波段左手材料。[[] 李慶武，相建凱，趙延. 藍(lán)光波段左手材料的化學(xué)制備方法（J）.材料導(dǎo)報，2009，23（9）：8~10，21]采用雙模板輔助化學(xué)電沉積法，以聚苯乙烯小球為初級模板，二維ZnO 有序多孔薄膜為二級模板，制備了銀樹枝狀