【導讀】析異向介質(zhì)的基本原理、結(jié)構(gòu)特性及理論基礎。研究了電磁波在不同異向。介質(zhì)中傳播所出現(xiàn)的不同特性；學習并掌握了運用HFSS軟件設計和仿真天線和濾波器；仿真與優(yōu)化，提高了微波器件性能；翻譯與本題目有關的外文文獻；總結(jié)了異向介質(zhì)在微波器件中的應用和設計經(jīng)驗，撰寫論文。所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的。內(nèi)容外，本畢業(yè)設計的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。本論文屬于原創(chuàng)。本畢業(yè)設計的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。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；異向介質(zhì)是指具有負的介電常數(shù)?的人工合成電磁材料。已被美國《Science》雜志評為2020年度十大科。的應用前景，成為了當今物理學和電磁學研究領域的前沿和熱點。磁導率出現(xiàn)的原因；

　　

【正文】 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。副瓣一般指向不需要輻射的區(qū)域，因此要求副瓣電平盡可能的低；前后比，指主瓣最大值與副瓣最大值之比，通常也用分貝值表示。 異向介質(zhì)天線的設計與仿真分析 異向介質(zhì)的后向波特性使得它在微波天線中得到廣泛的應用。將異向介質(zhì)的后向波效應與常規(guī)介質(zhì)的前向波效應相結(jié)合可以設計出小于半波長的諧振腔 ,而且諧振腔的物理尺寸不再受諧振頻率的限制。另外，此時的左手介質(zhì)相當于一個相位補償器 ,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)的后向波效應加以補償。本 小節(jié)共設計了三 款基于異向介質(zhì)的小型化天線。 第一 款為共振一維異向介質(zhì)為基礎的天線應用的輸電線路的建模與設計，以 FR4 作為基底，大小為 16mm*12mm*2mm。如圖 所示，其幾何結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，回波損耗 仿真結(jié)構(gòu)如圖 所示，圖 顯示為頻率f= 時的方向圖。 圖 X Y Z 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 19 圖 圖 開路或短路 1mm 短路針 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 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*。此天線應用了雙重諧振異向介質(zhì)傳輸線結(jié)構(gòu)，兩只手臂微帶傳輸線和腐蝕有五個螺旋方形諧振環(huán)組成，如圖 ，實現(xiàn)了小型化緊湊型結(jié)果。圖 維結(jié)構(gòu)圖，圖 ，圖 ，圖 、圖 為 f=。 圖 三維結(jié)構(gòu) 圖 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 21 圖 輻射單元的微帶天線 輻射貼片 結(jié)構(gòu) 圖 圖 天線 單元尺寸結(jié)構(gòu)圖（單位： mm） 圖 0 . 20.40 . 64 . 54.5中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 22 圖 = GHz, Phi=0176。時的方向圖 圖 f= GHz, Phi=90176。時的方向圖 第三 款是復合右左手傳輸線帶寬增強的異向介質(zhì)天線，以 GIL GML2032作為基底，大小為 41mm*10mm*2mm，三維結(jié)構(gòu)圖如圖 ，幾何尺寸圖如圖 , 回波損耗圖如圖 ,圖 方向圖。 圖 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 23 圖 圖 31mm 5mm 8mm 11mm 8mm 5mm 5mm 4mm 1mm 2nH A B C PCB Ground A 饋電點 B、 C 短路點 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 24 圖 這三 款天線分別利用 異性介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的 共振 、螺旋形諧振環(huán)和復合左 /右手傳輸線結(jié) 構(gòu)，有效的實現(xiàn)了微帶天線的小型化和超寬帶設計。仿真結(jié)果表明，這三 款天線與同類天線相比結(jié)構(gòu)緊湊，同時性能均有明顯提高。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 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 。濾波器是一種 二 端口網(wǎng)絡電路，假如其信號工作頻率處于微波波段，我們就稱此類濾波器為微波濾波器。 濾波器的組成單元有電容、電感和一些串并聯(lián)諧振回路 。這些元件都具有一定的選頻功能，如電感線圈能夠通低頻阻高頻，電容器能夠通高頻阻低頻， 串聯(lián)諧振回路能通過一定頻帶的信號阻止其余頻帶的信號，并聯(lián)諧振回路能阻止一定頻帶的信號通過其余頻帶的信號。 因此，根據(jù)實際需求，可對這些基本濾波元件設進行一定的組合，形成所需的濾波器，已達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。 與低頻濾波器一樣，微波濾波器按照其對不同頻段信號的通、阻性可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種。 下 圖 給出了四種濾波器的基本電路和相 應的衰 減特性 ? (a)低通 ? (b)高通 ACR gR l0L / dBACR gR l0L / dB中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 26 ? (c)帶通 ? (d)帶阻 圖 與微波天線一樣， 微波濾波器結(jié)構(gòu)的分析與設計 也 是一個從復雜到簡單，從粗糙到精確的工程。 過去人們使用一些場和波的方法對一些結(jié)構(gòu)比較簡單的微波濾波器結(jié)構(gòu)進行設計與分析已倍感困 難。而現(xiàn)今，隨著科技的發(fā)展計算機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)絡綜合理論成果，并已順利應用于微波濾波器結(jié)構(gòu)的設計與仿真中，大大減少了人工計算，提高了設計的精確度。 同樣，異性介質(zhì)在微波濾波器中的應用為實現(xiàn)微波濾波器的小型化高性能設計做出了突出的貢獻，大大提高了微波濾波器的性能，其具體應用方法及實例設計將在下文中具體介紹。 微波濾波器的基本性能參數(shù) 截止頻率 fc或頻率范圍 f1f2； 通帶內(nèi)允許插入最大衰減 LAr； 阻帶內(nèi)最小衰減 LAs及相應的阻帶頻率 fs，當 fs固定時， LAS越大表示阻帶的插入衰減頻率特性曲線越陡，性能越好。 ACR g R l0L/dBACR g R l0L / dB中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 27 微波濾波器的設計原理 濾波器 電路的微波實現(xiàn) 低通原型以及由此變換得到的實際低通、高通、帶通和帶阻濾波器電路都是由集總電抗元件 — 電容和電感組成 [23]。 但是在微波電路中，純粹的集總電感、電容是不存在的。那么，集總電抗元件如何在微波電路中實現(xiàn)，同時，濾波器具體的微波結(jié)構(gòu)又對應著怎樣的集總電抗元件成為了本小節(jié)討論的重點。下面，我們介紹集中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的幾種微波實現(xiàn)方法。 (1)開路、短路短截線法 圖 根據(jù)均勻傳輸線相 關理論，如圖 ， 當終端短路時，其輸入阻抗為： lin tjZZ ?tan0? () 當 l λ ，例如 (λ 為傳輸線的工作波長 )，則上式可近似為： tin jZZ ?0? () 又因為 00CL?? ? ， ，其中 L0， C0分別是傳輸線單位長度等效電感和電容值， β 為相位常數(shù)，所以： () 這樣看來，一段很短的短路線，即短路短截線，可以近似等效為一個集總參數(shù)電感，其大小為為傳輸線單位長度分布電感 L0和長度 ι 的乘積。 圖 同理，對于單位長度為 ι 的一段開路線 ，如圖 所示 ，其輸入導納Zin Z 0l10??t000 CLZlin LjlCLCLjZ 00000 ?? ??Y in Y 0l中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 28 為： () 當 l λ ，例如 l (λ 為傳輸線的 工作波長 )，則上式可近似為： () 由此可知，一段短的開路線，即開路短截線，可近似等效為一個集總參數(shù)電容，其大小為分布電容 C0和長度 l 的乘積。 （ 2） 高低阻抗線法 圖 根據(jù)傳輸線理論， 在終端接有負載 Zι 的一段傳輸線中 ，如圖 所示，其輸入阻抗 Zin和輸入導納 Yin分別為： () () 上述兩式中， Zι 為負載阻抗， Z0為傳輸線特性阻抗， β 為傳輸線相位常數(shù)， ι 為傳輸線段長度。如果 Z0， β 一定，則輸入阻抗 Zin和輸入導納 Yin的大小和性質(zhì)與 Zι 和有關。 a． 當 Zι Z 0, l (λ 為傳輸線的工作波長 )時，式 ()近似為 lltLin jZZjZZZ ?? 00 ta n ???? () 又因為 β = ω 00CL ，其中 L0， C0分別是傳輸線單位長度等效電感和電容值，將 β 和 Z0帶入式 ()中得 lLin LjZZZ 00?? () 由此可見，當一段傳輸線終端接以遠小于傳輸線特性阻抗 Z0的負載 Zι時，在傳輸線輸入端處，等效為一電感和負載項串聯(lián)。 如圖 (a)所示。 lin ZjY ?tan10?LCjZjY lin 001 ?? ??Zin Z 0lZ l（ Y in ）tjZZ jZZZZ t ttin ??ta nta n0 00 ???ttttin jZZ jZZZY ??ta nta n1000 ???10?中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 29 (a ) (b) 圖 b．當 Zι Z 0, l (λ 為傳輸線的工作波長 )時，式（ ）近似為 () 由此可見，當一段傳輸線終端接以遠大于傳輸線特性阻抗 Z0的負載 Zι時，在傳輸線輸入端處，等效為一電容和負載項并聯(lián)。 如圖 (b)所示 微波低通濾波器 當波導用于傳輸主模時，若工作頻率 f 小于截止頻率 fc，則受到截止衰減，當 f大于 fc時，則實現(xiàn)傳輸，即 波導具有高通性質(zhì)。因此通常利用同軸線和微帶線段來構(gòu)造微波低通濾波器。 （ 1） 同軸線型低通濾波器 圖 圖 ， 為一種電感接入式同軸線型低通濾波器。它是由五段高、低特性阻抗傳輸線段相間組成，同軸線的特性阻抗 (?)為： () 式中 a和 b分別為內(nèi)、外導體直徑。 b 一定時， a越小， Z0越大。 在 Zι= Z 0的情況下，對于第五段傳輸線 ι 5而言，它的阻抗特性顯然比Z0高得多，因此相當于一個串聯(lián)電感 L5；對于第四段傳輸線 ι 4而言，它的阻抗特性顯然比 Z0低得多，因此相當于一個并聯(lián)電容 C5，依次類推，根據(jù)式() ()便可以繪出其等效電路圖 所示。 Z in Y inLZ L Z LC10?LljZZjZY lin 000 1t a n11 ?? ????Z 0 Z 0Z 0 = Z ll 1l2l3l4l5abZ r lg600 ??中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計