微波段新型人工电磁结构的实验与应用研究

• 作 者: 林先其
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 人工电磁结构 微波器 机械可调谐振器 自谐振式开口谐振环

新型人工电磁结构包括各种构成人工电磁媒质(如左手媒质、电等离子体、磁等离子体、渐变电磁媒质等)的基本单元以及由这些基本单元组成的周期/非周期结构，是近年来国际物理界、电磁界、材料界的研究前沿和热点，其研究内容分别于2003年和2006年两次被《科学》杂志评为年度十大科技进展之一。
本文从新型人工电磁结构的电磁特性分析入手，提出了获取等效媒质参数及电路参数的两种改进方法。随后研究了由人工电磁结构组成的新型人工电磁媒质的奇异特性——凋落波放大，通过对多种媒质组合的理论分析，导出了凋落波放大条件，并进行了相应的仿真建模与实验验证。针对不同应用要求，提出了几种新型的人工电磁结构单元，将其分别应用于新型微波器件及天线设计之中，研究设计了一系列具有新型特性和功能的微波器件与天线。最后研究了基于高介电常数介质块的谐振特性及等效媒质参数，提出了具有机械可调功能的新型人工电磁结构。基于此新型结构设计完成了机械可调谐振器及波束可控的偏折和汇聚“透镜”。
本文的主要工作包括以下几个方面：
1.提出了分别用于人工电磁结构的等效媒质及电路参数提取的两种改进方法，使之能更精确地获得电磁分析及电路设计所需的等效媒质参数及电路模型元件值。
2.基于不同媒质组合，理论分析了凋落波放大机理及不同实现条件。先通过电路和电磁全波仿真验证了理论分析的止确性，随后通过设计相应的实验进一步验证了凋落波的放大现象及放大特征。
3.结合所提出的改进型参数提取方法，完成了凋落波放大的精确设计，为利用凋落波放大特性设计新型微波器件或天线的研究提供了有效分析设计方法。
4.提出了新型自谐振式开口谐振环、简化型复合左右手传输线结构及半封闭型复合左右手传输线结构等三种改进的人工电磁结构单元，分析了它们的电磁响应特性，并获取了其等效媒质参数及等效电路模型。
5.结合所提出的三种新型人工电磁结构单元，设计完成了一系列具有更优性能的微波器件，如谐振器、滤波器、分支耦合器、功分器、移相器等。
6.分析了新型人工电磁结构在天线设计中的应用，设计了基于开口谐振环及半封闭型复合左右手传输线结构的新型馈电网络、基于新型开口谐振环的天线辐射单元、以及基于等效折射率渐变媒质的新型天线辐射背景。
7.研究了高介电常数介质块的自谐振及其电磁响应特性，提出了一种介质加载金属柱的机械可调电磁结构。分析了不同金属柱长度下的等效媒质特性，并通过仿真设计实现了同频率点的电和磁双谐振，进而提取得到基于单个自谐振单元的等效负介电常数和负磁导率。
8.将介质加载金属柱的机械可调人工电磁结构应用于电磁波的传播调控中，设计完成了电磁波传播方向偏折连续可调及电磁波汇聚等两种电磁透镜。