复合左右手传输线及其相关器件的时域法研究

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1、摘要复合左右手传输线是实现微波特异材料的一种重要的人工电磁结构，它基于传输线理论，利用表面微加工和表面封装元件两种工艺进行制备。近年来，由于其结构简单、尺寸紧凑、便于加工、低损耗和宽频带等优点，得到了广泛的应用，迅速成为研究微波特异材料及其器件的一个重要的研究平台。复合左右手传输线作为一类有代表性的微波特异材料，具有特异材料的相关特性：如负折射效应、逆多普勒效应、反常Cerenkov辐射效应以及完美透镜效应等。利用复合左右手传输线可以构造微波特异材料耦合器、倏逝波放大电磁结构等具有奇异电磁特性的微波器

2、件和结构。本文主要采用时域测量方法，结合微波探针方法，研究了特异材料对电磁波脉冲输运过程的影响，脉冲的幅值和调制相位随时间和空间的变化。通过对各位置点上波形的提取和分析，研究微波特异材料器件中奇异界面模式(如涡旋模)，以及倏逝波放大现象的形成机理，及其对电磁波的调控作用。本论文共分为七章。第一章介绍了特异材料的研究背景以及当前国内外该领域的研究进展。第二章介绍了本论文实现特异材料所采用的复合左右手传输线的相关理论，如电路模型、传播参数、等效介电常数和磁导率等。同时对论文所采用的模拟仿真计算方法，以及样

3、品的制备测量进行了介绍。论文的第三章用时域法研究了一维复合左右手传输线的传输性质。我们清晰地直接观察到，当一个调制高斯波在复合左右手传输线上传输时，相位向前传播，而波包向后传播，即相速度和群速度在左手通带内方向相反。通过不同位置点的波形图得出群延迟和相位延迟，进而计算出相速度和群速度的时域测量值，与理论计算结果和频域测量结果非常吻合。论文的第四章主要研究了由普通微带传输线和复合左右手传输线构成的特异材料耦合器(RH．CRLH耦合器)。这种新型的耦合器具有普通平行耦合线定向耦合器所不同的特性，如准0dB

4、的耦合强度和宽耦合频带特性，而且RH．CRLH耦合器的耦合区域与耦合器的总长度没有关系，却与单元长度有关，而且与加载的元件C．和L．有关。本章详细研究了这种新型特异材料耦合器耦合区间的性质，发现耦合总是发生在复合左右手传输线的左手通带内，且同时满足两条线的平均介电常数和平均磁导率的乘积为负。耦合区域受这两个条件的严格限制，摘要本章给出了耦合区域上下边界的表达式。论文的第五章用时域法研究了特异材料中的类涡旋模。研究发现，在特异材料和普通材料构成的界面处的确存在涡旋模。以基于复合左右手材料的特异材料耦合器

5、为例，通过时域法测量了里面的涡旋模的相关性质。这种存在于特异材料耦合器中的涡旋模是一种类涡旋模，能流经过邻近抵消后，不是一个整圆。类涡旋模使得两种介质中的能流方向相反，相速度方向相同。通过对耦合器的两条线上对应点处波包峰值的群延迟的测量，实验得到类涡旋模导致电磁波的传播变慢的现象，这一性质可以应用于存储领域。论文的第六章用时域法研究了完美透镜效应中不可或缺的倏逝波放大现象。本文中利用在微带线中加载串联电容的方法来构造介电常数为负磁导率为正的类磁离子结构，用在微带线中加载并联电感的方法来构造类电离子结构

6、，当这两种结构级联在一起时，在特定的条件下，里面存在的倏逝波会被指数放大。经时域研究发现，电场在两层单负介质中是分别呈指数增加和指数衰减分布，在界面上电场幅值最大。达到稳态后，隧穿点上的电磁波在穿过整个结构时相位不发生延迟。关键词：左手材料，复合左右手传输线，涡旋模，倏逝波放大nAbstractABSTRACTCompositeright／left-handedtransmissionline(CRLHTL)is觚importantartificialelectromagneticstructuret

7、oimplementmicrowavemetamaterials．CRLHTLisanalyzedbasedontransmissionlineapproach，andfabricatedbysurfacemicro—machiningandsurface-mounttechnology．Inrecentyean，therehasbeenanintensiveinterestinCRLHTLbecauseofitsobviousadvantages，suchassimplestructure，comp

8、actsize，easytofabricate，lowlossandbroadband．CRLHTLprovidesallefficientdesigntoolforleft—handedapplicationsandprovidesinsightintothephysicalphenomenaofmetamaterials．Asarepresentativeofmicrowaveleft-handedmaterial，CRLHTLpresentsthe