【正文】 相關(guān)資料 ，了解國內(nèi)外異向介質(zhì)的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展，分析異向介質(zhì)的基本原理、結(jié)構(gòu)特性及理論基礎(chǔ)。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。 本人簽名： 日期： 中國礦業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評語 （①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握； ② 獨立解決實際問題的能力；③ 研究內(nèi)容的 理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤ 工作態(tài)度 及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題； ⑧ 是否同意答辯等）： 成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評 閱書 評閱教師評語 （ ①選題的意義； ② 基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題； ⑧是否同意答辯等 ）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 異向介質(zhì)（ metamaterials）是指具有負(fù)的介電常數(shù) ? 和負(fù)的磁導(dǎo)率? 的人工合成電磁材料 。 提高了微波器件性能。 Metamaterial Filter。 課題在國內(nèi)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(zhì)特性的簡單研究、異性介質(zhì)在微波濾波器中的應(yīng)用和異向介質(zhì)在微波天線中的應(yīng)用。但是當(dāng)折射率為負(fù)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(zhì)的一種，左手材料。微波濾波器和天線早已在微波通信、雷達(dá)導(dǎo)航、電子對抗等微波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 微波器件的發(fā)展歷史是豐富多彩的，微波電子學(xué)與微波器件的含義與科學(xué)領(lǐng)域已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。 HFSS 軟件對于研究對象的離散化采用四面體和三角形網(wǎng)絡(luò)剖分，對結(jié)構(gòu)有廣泛的適應(yīng)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。 其次，對異向介質(zhì)中的典型結(jié)構(gòu)，細(xì)金屬棒陣列、分裂諧振環(huán)、互補分裂諧振環(huán)以及復(fù)合左 /右手傳輸線的工作原理進(jìn)行了闡述，并給出了這些結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用 。 第二章：簡要說明 異向介質(zhì)的產(chǎn)生與發(fā)展進(jìn)行，重點進(jìn)行異向介質(zhì)特性的分析與研究，并指出異向介質(zhì)在 物理學(xué)、 電磁學(xué) 等 學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 2 異向介質(zhì)基本特性 異向介質(zhì)的產(chǎn)生與發(fā)展 直到 1996 年和 1999 年，英國物理學(xué)家 等相繼利用周期性的金屬線陣列實現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù) [3]，利用周期性的分裂諧振環(huán) （ SRR） 實現(xiàn)了負(fù)的磁導(dǎo)率 [4]， 科學(xué)家用這兩種巧妙的人工合成結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了自然界尚未被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，這兩種巧妙結(jié)構(gòu)的提出打破了異向介質(zhì)研究領(lǐng)域三十年的沉 寂，使異向介質(zhì)開始受到各領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。 隨后，實驗小組又通過實驗成果驗證了光線的負(fù)折射現(xiàn)象 。在成像平面，其焦點處的電磁波幅度大小恰好同 波源處的幅度大小完全一致，電磁場的所有成分都將無損失地參與成像，克服了傳統(tǒng)透鏡的波不能會聚到小于波長范圍內(nèi)的限制。從 Veselago預(yù)言的左手材料逆多普勒效應(yīng)、負(fù)折射率現(xiàn)象以及逆 Cerenkov 效應(yīng)等等開始，異性介質(zhì)特性的神秘面紗便不斷別揭開。所謂“隱身斗篷”即在物體表面包裹一種具有一定數(shù)值的負(fù)的介電 常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率的異向介質(zhì)，這時當(dāng)電磁波照射在上面的時候，電磁波將被彎曲并繞過物體繼續(xù)傳播，從而使物體出現(xiàn)隱身的效果。從 1968 年異向介質(zhì)理論雛形的曇花一現(xiàn)到 21 世紀(jì)成為科學(xué)界的領(lǐng)跑者，異向介質(zhì)的奇異特性已不斷被挖掘， 其支撐理論也在不斷走向成熟。 角彎向磁場 H的方向，大拇指的方向就是波 矢量 ?的方向 。由于開根號可能得到正負(fù)兩種解，因而對于折射率 n 的取值也有正 負(fù)兩種情況。多普勒效應(yīng)是指若果波源和觀測者之間存在著相對運動，那么觀測到的頻率和波長將會發(fā)生變化。世界各地的研究人員正在研究用于材料非破壞性實驗的千兆赫茲系統(tǒng)。 周期細(xì)金屬棒陣列 的應(yīng)用 細(xì)金屬棒陣列式最早發(fā)現(xiàn)具有負(fù)介電常數(shù)的人工合成結(jié)構(gòu)，早在 1953年，細(xì)金屬棒陣列就被嵌入到媒介中用于合成微波人造介質(zhì) [21]。 由于金屬棒很細(xì)，電感比較 大，因此細(xì)金屬棒中的電流值幾乎不會受到影響， 另外，細(xì)金屬棒每個周期單元的電通量基本是均勻分布的，加之細(xì)金屬棒區(qū)域存在電流而其他部分不存在電流，導(dǎo)致電磁場的分布很不均勻，越靠近金屬棒區(qū)域磁場越大。 細(xì)金屬 棒的周期尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波的波長，所以由該結(jié)構(gòu)構(gòu)成的介質(zhì)在其工作頻段內(nèi)可以看做是均勻的人工制造介質(zhì)，由于磁場對金屬細(xì)線的作用是基本可以忽略的，因此其磁導(dǎo)率可近似視為常數(shù)。SRR 結(jié)構(gòu)的平面示意圖如圖 所示， SRR 中磁場感應(yīng)電流如圖 。 SRR 結(jié)構(gòu)不僅在制作反向波導(dǎo)定向耦合器以及電磁波隱形中有著極其重要的應(yīng)用，而其，在微波天線和濾波器的制造中也發(fā)揮著不可替代的作用，有效的解決了微波器件的小型化高性能之間的矛盾，天線的高指向性設(shè)計的技術(shù)難題等微波領(lǐng)域的疑難雜癥。 本文將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹基于分裂諧振環(huán)和互補分裂諧振環(huán)的微波濾波器與天線的設(shè)計原理 和仿真結(jié)果。 圖 /右手傳輸單元模型示意圖 復(fù)合左 /右手傳輸線是一種既能呈現(xiàn)左手特性又能呈現(xiàn)右手特性的傳輸線。這樣，信息可以在異地間傳輸而不需要任何中介結(jié)構(gòu)。由于嚴(yán)格求解天線問題的復(fù)雜性和高難度，因此對于具體天線問題的求解往往將其條件理想化，采取近似處理的方法來獲取所需的理想結(jié)果。 天線的 基本 性能參數(shù) 對于天線來說，研究人員最關(guān)心的是它的輻射場。 另外，任何天線都會有一定的增益，一定的帶寬，一定的輸入阻抗，一定的效率等各種參量。 它表示定向天線在最大輻射方向上，輻射能量的集中程度，是大于等于 1的無量綱比值。 （ 5） 輻射效率 η r：輻射功率與輸入到天線上的功率（輸入功率）之比，表征天線能否有效的轉(zhuǎn)換能量。與此相似，也把總損耗功率看作是被某個損耗電阻 RL吸收，則有： () () 故天線的輻射效率還可以表示為： () （ 6） 輸入阻抗 Zin：天線輸入端的高頻電壓與輸出端的高頻電壓之比。在空間某個位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場在空間的指向隨時間變化所描述出的軌跡如果是一條直線，則為線極化；如果是一個圓，則稱為圓極化；如果是一個橢圓，則稱為橢圓極化。通常，取其中較窄的一個作為整個天線的帶寬。如圖 所示。 圖 源上的交流電 在一小段電流源上加交變電壓（設(shè)為正弦交流電），設(shè)電荷正弦變化 tQq ?sin? () 其中 Q是電荷最大值。在 t= T/4 時刻 ,電流等于零，磁場卻依然存在 ，它是脫離了電場的磁場。隨著時間的推移，在第三個和第四個 T/4 時間段里面 ，電場、磁場的輻射將重復(fù)上述過程 ，只是電力線所顯示的電、磁場方向和上半周期的相反。 那么在實際工作中，天線是怎樣獲得如圖 所示的正弦電流分布從而產(chǎn)生電磁輻射的呢？ 對此問題的分析我們從開路線入手。波源的頻率也就是被輻射電磁波的頻率。所以不能將音頻或視頻的信號直接饋送給天線，而必須通過調(diào)制，采用高頻“攜帶”的辦法，這樣才能解決有效輻射的問題。若將雙導(dǎo)線或平行板張開，形成開放性結(jié)構(gòu)，將電磁場暴露在空間，才能產(chǎn)生電磁輻射，而且隨著結(jié)構(gòu)的張開程度，輻射能力也將增強(qiáng)。如圖 所示，兩區(qū)分界可取為半徑 () 式中 L 為天線的最大尺寸，單位 m， λ 為波長單位 m。近場區(qū)中的虛功率密度由天線輸入阻抗的電抗分量表示出來，如果天線結(jié)構(gòu)上的歐姆損耗可以忽略，那么輸入阻抗的實部就代表輻射。方向圖形象、直觀，彌補了方向函數(shù)抽象、晦澀的不足。如果天線的方向圖只有一個強(qiáng)的主瓣，其他副瓣均較弱，則它的定向輻射性能的強(qiáng)弱就可以從兩個主平面內(nèi)的半功率點波瓣寬度來判斷；副瓣電平 (Side Lobe Lever,SLL)，指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示。另外，此時的左手介質(zhì)相當(dāng)于一個相位補償器 ,電磁波在常規(guī)介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的相位差可以通過異向介質(zhì)的后向波效應(yīng)加以補償。 圖 X Y Z 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 19 圖 圖 開路或短路 1mm 短路針 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 20 圖 f= GHz方向圖 第二 款是以螺旋方形諧振環(huán)陣列作為輻射單元的微帶天線 ， 以 Rogers RT/ duroid 5880作為基底 ， 大小為 50mm*50mm*。時的方向圖 圖 f= GHz, Phi=90176。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 25 4 異向介質(zhì)濾波器 微波濾波器的基本理論 微波濾波器綜述 微波濾波器作為微波技術(shù)中極其活躍的分支，實現(xiàn)了 在 微波系統(tǒng) 中分離或組合不同 頻率 信號 的目的 。 因此，根據(jù)實際需求，可對這些基本濾波元件設(shè)進(jìn)行一定的組合，形成所需的濾波器，已達(dá)到對某一頻段的信號阻抗較高，不能通過，而對某一頻段的信號阻抗幾乎為零，能順利通過的目的。而現(xiàn)今，隨著科技的發(fā)展計算機(jī)仿真軟件的不斷開發(fā)與升級已出現(xiàn)成套的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合理論成果，并已順利應(yīng)用于微波濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真中，大大減少了人工計算，提高了設(shè)計的精確度。 但是在微波電路中，純粹的集總電感、電容是不存在的。 圖 同理，對于單位長度為 ι 的一段開路線 ，如圖 所示 ，其輸入導(dǎo)納Zin Z 0l10??t000 CLZlin LjlCLCLjZ 00000 ?? ??Y in Y 0l中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 28 為： () 當(dāng) l λ ，例如 l (λ 為傳輸線的 工作波長 )，則上式可近似為：