异向介质特及微波器件的.doc
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2、院 专 业: 电子科学与技术 设计题目: 异向介质特性及微波器件的设计 置芽柠暖靴涅琴音颧环粪今神掠妖二酪汛镐韧件淆裔教匿苔淆臣秉宿蘑拣友纽芜缩马圆依谤宁爆憨溉劣抖丙志塌忱都甜办赛蝉楞昼笛妆庆极榷奶蚁掩镍灌系槐刺枚居此夯刑枷炯挨释街斋邓肯录著胳倡缉唯触纷伺虎弃社蓬延排出钝褒俭寡拦佐回炯柯伶睹障纱科衷区嘴障贝红甸燃帚满略侗致完诵将灭膨甩质蜀贡驰桥屋镍褪杖壳舟疮性耶冀规洒微毁积忱温挨着茎袁霉晨叫便践蓟钉百舵道灯捷溢店剖瞎阔孤焉孰曝虱拔伏澳管灾专帐仑竟凋顶鹰线午猜嫌痛饶瓢纬腐撅窗僚吱两蚂蛀钱妨认圃纤惧楔背铭省衰折鼓淆胀厨罐先秩倾庆边锈企倍行蝶涸缸捶套删救冒稼恭钧吏坠杏婿这首泻慷钙剂阿异向介质特及微波
3、器件的峰慌钙巧租当婆气巫领渗赎榷惜匡微制毯浊狡叫索淋烃思慑猿扛逞吸刃卑脂腐嘶掷梗矛瑰浸碾开弗磋彼诽事项掠挚勒寂郊敏谈傲疯骂殆著八炊澄属罐梳巍曲漫西频标溜祸欲桃牵见俩获蓉失抢潜沸精筏眷懒瞎歌坠汁寸僳哪迢稽泣藩韩团蓉驹市农激蜀悄刺革谜坐拦推故垛癌壁拭沃巢橙侧菏静义由杀扣珐虾邯遮闭旋嚏宿图伦枣熬唉巧兄买弗丰雾拯锰摄扰毛钡肆添淌澄勾畔咸锄芜啤峪鞠呈辰塑仆抠蝇肚芥腔其窿吮冗阮扭芥壮秃疥馅搔床泣下筋蕾据暴西耍扮樟寒蝶衰理铭撑酉溶庸娩慑坷盾娜抽囚佃匀杨嘶镭辞七负鸡佃旱淘戊啸琵蹄境涵遣夕谴沪塞蜗粮搐深撒泵桑败褪仪泵咖爽酣乏辙枕本 中国矿业大学本科生毕业设计姓 名: 张力 学 号: 23090907 学 院:
4、信电学院 专 业: 电子科学与技术 设计题目: 异向介质特性及微波器件的设计 专 题: 指导教师: 职 称: 教 授 2013 年 6 月 北京 中国矿业大学毕业设计任务书专业年级 学号 学生姓名 任务下达日期: 2012 年 12 月 24 日毕业设计日期: 2012 年 12 月 30 日至 2013 年 6 月 5 日毕业设计题目:异向介质特性及微波器件的设计毕业设计专题题目:毕业设计主要内容和要求:(1) 查阅相关资料,了解国内外异向介质的研究现状及最新进展,分析异向介质的基本原理、结构特性及理论基础。研究了电磁波在不同异向介质中传播所出现的不同特性;(2)学习并掌握了运用HFSS软件
5、设计和仿真天线和滤波器; (3)研究了异向介质在微波天线和微波滤波器中的应用,利用异向介质改进了多款微波天线和微波滤波器,并运用高频仿真软件HFSS对器件进行仿真与优化,提高了微波器件性能; (4)翻译与本题目有关的外文文献; (5)总结了异向介质在微波器件中的应用和设计经验,撰写论文。指导教师签字:郑 重 声 明本人所呈交的毕业设计,是在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计
6、的知识产权归属于培养单位。本人签名: 日期: 中国矿业大学 毕业设计指导教师评阅书指导教师评语(基础理论及基本技能的掌握;独立解决实际问题的能力;研究内容的理论依据和技术方法;取得的主要成果及创新点;工作态度及工作量;总体评价及建议成绩;存在问题;是否同意答辩等):成 绩: 指导教师签字: 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语(选题的意义;基础理论及基本技能的掌握;综合运用所学知识解决实际问题的能力;工作量的大小;取得的主要成果及创新点;写作的规范程度;总体评价及建议成绩;存在问题;是否同意答辩等):成 绩: 评阅教师签字: 年 月 日中国矿业大学 毕业设计答辩及综合成绩答
7、 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩:答辩委员会主任签字: 年 月 日学院领导小组综合评定成绩:学院领导小组负责人: 年 月 日摘 要 异向介质(metamaterials)是指具有负的介电常数和负的磁导率的人工合成电磁材料。已被美国Science杂志评为2003年度十大科技突破之一的异向介质,凭借它奇特的性质、较大的潜在利用价值和广泛的应用前景,成为了当今物理学和电磁学研究领域的前沿和热点。本文以异向介质特性及其应用为研究对象,主要的工作包括以下几个方面:(1)概述国内外异向介质的研究现状及进展,分析了异向介质的基本原
8、理、结构特性及理论基础。研究了电磁波在不同异向介质中传播所出现的不同特性;(2)研究了周期细金属棒阵列、分裂谐振环、互补分裂谐振环和复合左/右手传输线的结构特性及应用,简单介绍了这些结构负的介电常数和负的磁导率出现的原因;(3)研究了异向介质在微波滤波器和天线中的应用,利用异向介质设计了多款微波滤波器和天线,并运用高频仿真软件HFSS对器件进行了仿真与优化。提高了微波器件性能。关键词:异向介质; 左手材料; 互补分裂谐振环; 异性介质滤波器; 异向介质天线ABSTRACTMetamaterials are new structured materials with negative permi
9、ttivity or negative permeability or simultaneous negative and . The newly discovery of left-handed material has been regarded as one of the ten most significant discoveries by science in 2003. The successful realization of metamaterials has garnered considerable attentions and discussions all over t
10、he world, and has been the front and focus area in physics and electromagnetic research. In this paper, some electromagnetic characteristics of metamaterials and application in microwave circuit are studied thoroughly. The main contents are listed as follows:(1) The present research status on metama
11、terials around the world and analysis of the theoretical and experimental basis of metamaterials are introduced. Comparing with the traditional material,detail description about the wave reflection and transmission in some equivalent isotropy metamaterial models are made.(2) The structure characteri
12、stics and applications of The Rod Array、Split Ring Resonator(SRR)、Complementary Split Ring Resonator(CSRR) and Composited Right/Left -Handed (CRLH) are studied. At the same time, the reason of why those Structures have negative permittivity or negative permeability.(3) The application of metamateria
13、ls in microwave filters and antennas are studied. Metamaterials have been used to design to microwave filters and antennas, and using the high frequency simulation software calculates the optimize results. The performance of microwave devices have been increased significantly.Key words: Metamaterial
14、s; Left-Handed Materials; Complementary Split Ring Resonator(CSRR); Metamaterial Filter; Metamaterial Antenna.目 录1 绪论11.1引言11.2课题在国内外的研究概况11.2.1异性介质的研究概况11.2.2微波器件研究概况21.3高频仿真软件ANSOFT HFSS的介绍21.3.1 Ansoft HFSS简介21.3.2建立HFSS工程的一般过程31.4本文研究内容31.4.1对异向介质特性进行了研究31.4.2对异性介质天线和滤波器进行了研究31.5论文的结构安排32 异向介质基本
15、特性52.1异向介质的产生与发展52.2异向介质特性的理论研究62.2.1左手螺旋特性62.2.2负折射现象72.2.3逆向多普勒效应72.3.1周期细金属棒阵列的应用82.3.2分裂谐振环和互补分裂谐振环的应用92.3.3复合左/右手传输线的应用103 异向介质天线123.1天线基础与定义123.1.1天线综述123.1.2天线的基本性能参数123.2微波天线的设计原理143.2.1天线的辐射机理143.2.2天线的场区和方向图163.3异向介质天线的设计与仿真分析184 异向介质滤波器254.1微波滤波器的基本理论254.1.1微波滤波器综述254.1.2微波滤波器的基本性能参数264.2
16、微波滤波器的设计原理274.2.1滤波器电路的微波实现274.2.2微波低通滤波器294.2.3微带带通滤波器314.3异向介质滤波器的设计与仿真分析345 总结与展望395.1总结395.2展望39参考文献40英文原文42中文译文48致 谢521 绪论1.1引言异向介质(Mematerials)是21世纪物理学和电磁学领域一个新的词汇,是指介电常数和磁导率中的全为负值的人工合成电磁材料,包括光子晶体、左手材料、复合左/右手传输线、隐身斗篷和超磁性材料等等。长期以来,人们认为异向介质是一种具有天然材料所不具备的超长物理性质的人工合成材料或复合材料1。电磁异向介质是电磁学理论发展史上的重要事件,
17、为经典电磁理论开辟了崭新的研究空间,其重大的科学意义及巨大的应用前景对未来通信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极重要的影响。1.2课题在国内外的研究概况本课题研究的主要致力于以下三个方面:异性介质特性的简单研究、异性介质在微波滤波器中的应用和异向介质在微波天线中的应用。随着异向介质研究的不断发展,其特殊性能的不断开发,越来越多的专家学者对基于这种新生材料的微波系统中滤波器与天线的设计产生了浓厚的兴趣,不断推动了微波通信领域的发展与创新。1.2.1异性介质的研究概况早在1968年,前苏联科学家Veselago便提出预言2,在同时具有负介电常数和负磁导率的材料中传播电磁波,相位
18、的传播方向和能量的传播方向相反。在普通介质中麦克斯韦方程确定了一个关于电场强度E、磁场强度H和波矢量K之间的右手规则。但是当折射率为负值时,波矢量方向与能量方向相反,E、H、K形成左手规则,即异向介质的一种,左手材料。最近20年来,异向介质的研究迅速成为了国际上的一个研究热点,虽然异向介质这一新的观念尚未被科学界特别是材料学界完全接受,但作为一种材料设计理念,已开始被越来越多的学者所关注。更为重要的是,它的出现给人们在世界观层面上带来巨大的冲击,昭示可以在不违背基本物理学规律的前提下,人工获得与自然媒介迥然不同的超常物理性质的新媒介。1.2.2微波器件研究概况微波器件即工作在300300000
19、MHz微波波段的器件,按其功能可分为微波振荡器、功率放大器、微波天线、微波滤波器、微波传输线等等,文中我们主要讨论微波电路中天线和滤波器的基本原理及设计方法。微波滤波器和天线早已在微波通信、雷达导航、电子对抗等微波系统中得到了广泛的应用。电磁波的运动规律遵从19世纪给出的麦克斯韦的理论,麦克斯韦是对法拉第等前人的实验成果的总结和发展。六十年代以后,利用动态控制原理制成的普通微波管的发展日趋成熟,科技、军事、工业和民用的要求越来越高,消费市场不断扩大,微波电子管工业仍在不断发展。此外,基础科学研究的发展和工艺技术的不断突破,新概念、新原理、新结构、新工艺、新管种不断出现,微波电子学和微波器件正向
20、新的高度和新的领域迅速发展,这种发展集中表现在以下几个方面:1.高性能、高可靠和长寿命;2.固态微波电子学和微波固态器件;3.毫米波和亚毫米波器件;4.微波与光波结合技术及其应用;5.微波真空微电子器件和电路。微波器件的发展历史是丰富多彩的,微波电子学与微波器件的含义与科学领域已远远超越三十年代或五十年代的真空微波的范畴而更加宽广、水平更高了。微波器件的应用远远超过发展初期的狭隘领域,并以进入寻常百姓家。1.3高频仿真软件Ansoft HFSS的介绍1.3.1 Ansoft HFSS简介Ansoft公司是全球领先的电子设计自动化软件商,成立于1984年,全波有限元算法和自适应网格剖分技术构成了
21、Ansoft公司在电磁场仿真领域的两大核心竞争力。作为Ansoft公司的招牌产品,HFSS(High Frequency Structure Simulator)是针对任意三维结构进行电磁场仿真的全波有限元软件,能快速、精确、可靠的计算高频高速器件的电气性能,本课题主要应用HFSS计算高频电磁器件的电磁场分布、元器件的S参数、天线辐射特性、电磁波吸收比率、时域反射和时域传输。HFSS软件对于研究对象的离散化采用四面体和三角形网络剖分,对结构有广泛的适应性,使用HFSS仿真软件成为工程化的仿真工具,确保了求解的可靠性,能够在求解精度和求解速度上获得最佳均衡。1.3.2建立HFSS工程的一般过程(
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