基于匚形金属条的单面二维左手材料的设计与实现

【摘要】：左手材料是一类按照一定结构合成的人工媒质,并在特定的电磁频段范围内同时具有负介电常数ε和负磁导率μ。这种材料的奇异特性能够在微波、天线、射频和光学等领域发挥重要的作用。作为一种人工媒质,左手材料的制备通常在一般媒质中嵌入设计的几何谐振结构,组合形成天然媒质不具有的电磁特性。本文围绕左手材料的设计,提出了一种基于匚形金属条的单面二维左手材料,具有二维左手特性、频带高适应性、单元尺寸小等优点,并研究了所设计结构的参数与材料的电磁特性之间关系。论文的主要工作有:1、详细阐述了左手材料的研究背景及其电磁特性,以设计流程为步骤介绍了仿真软件HFSS中左手材料的建模、电磁仿真设计,介绍了测试左手材料的多种方法和等效电磁参数的提取方法,并研究了利用基于Kramers–Kronig关系式改进参数反演算法解决传统参数反演算法中选取折射率计算结果支路的算法缺陷。通过HFSS软件对经典的Smith结构进行了建模与仿真,利用等效电磁参数的提取方法提取了等效电磁参数,验证了上述左手材料设计步骤的可靠性。2、设计了一种基于匚形金属条的单面二维左手材料,该结构将两条匚形金属条组合成匚形单元结构,并由16个匚形单元结构周期性排列在FR4介质板的单面,具有宽频带、低损耗、单元尺寸小等优点。当入射波分别沿介质板X、Y方向入射时,在7.4GHz-14.06GHz和8.38GHz-15.83GHz频段范围内实现等效折射率、等效介电常数和等效磁导率同时为负,材料在二维方向上通带带宽达到5.68GHz。3、对材料进行工业加工制备,通过波导-矢量网络分析仪测量系统测试验证制备材料的性能,将材料放置在波导内,通过同轴线连接矢量网络分析仪提取出材料S参数,进一步反演参数验证了材料的左手特性。本文的研究为左手材料的应用提供了一种易于加工,高性能,频带高适应性的可行性方案。4、进一步研究了材料的结构尺寸与材料本构参数的关系。验证了构成左手材料结构的匚形金属条的宽度分别增减0.1mm,材料左手特性实现了在X和Y方向0.23GHz和0.1GHz的频率偏移。验证了构成左手材料结构的匚形金属条单元的改变对左手材料本构参数的影响,匚形金属条单元2?2排列的左手材料在15.7GHz-20.8GHz之间在二维方向存在良好的左手特性。进一步解决了目前左手材料频带窄,适应性差的缺点。