各向异性阻抗匹配人工单元设计

论文总字数：26413字

摘 要

新型人工电磁材料由按一定规律排布的亚波长尺寸的人工单元构成，具有自然界中的媒质难以实现的电磁特性。通过对单元结构的设计，新型人工电磁材料可以实现任意的介电常数和磁导率并且对电磁波传播方向进行任意地调控，因此得到很多领域的关注，并被应用于各种器件的研发。本文的主要内容是认识常用结构，如SRR，ELC，I字型，开口方环和弯曲线等结构。并设计各向异性且阻抗匹配的人工电磁材料单元结构，使得电参数的某一分量与磁参数的某一分量相等，论文的主要内容和贡献如下：

1. 介绍了新型人工电磁材料的基本概念，包括媒质分类和等效媒质理论。介绍了常用的各向异性的谐振结构如电谐振的ELC，CSR方环，I字型，截断线，双T型结构和欧姆型结构等单元和磁谐振的SRR和DSR（双螺旋）结构。
2. 分析电谐振结构和磁谐振结构的基本原理，设计并仿真电磁谐振结构，使其电参数的某一分量等于磁参数的某一分量，并根据等效媒质理论提取各个方向的电磁参数，经过参数读取，得到弯曲线在较宽的高频域和SRR结构在较宽的低频域达到近似阻抗为1。
3. 对原有的电磁参数提取算法进行修正，得到非对称结构的Matlab参数提取程序，对符合阻抗要求的开口环结构和弯曲线结构曲线用两种提取方法比较。

关键词：新型人工电磁材料，开口环，弯曲线，介电常数，磁导率

Abstract

As a kind of artificially-designed material composed of a series of sub-wavelength unit cells, metamaterial has unique electromagnetic properties which can’t be realized by natural materials. By tailoring the metamaterial unit cells, arbitrary permittivity and permeability can be achieved, which means electromagnetic waves can be manipulated flexibly. Therefore metamaterial catches many attentions and many related achievements have been made in different fields. In this thesis, we focus on the metamaterial structrue such as split ring resonators, electric LC resonator, I shape, truncated line and Ohm structure. We also design a metamaterial whose permittivity is equal to permeability. The main contents of the thesis are as follows:

1. The main design principles of metamaterial structure are reviewed, including the medium categories and effective media theory. The experimental results show that anisotropic resonant structures, such as split ring resonators, double split resonators, electric LC resonator, I shape, truncated line and ohm structure, match well with the simulations.
2. Electromagnetic resonant structures are simulated, which can realize a metamaterial whose permittivity is equal to permeability. The EM parameters are obtained according to the effective medium theory. We find the Split ring resonators is suitable in Low-frequency domain and the truncated line is suitable in High-frequency domain.
3. Using Matlab extraction procedures based on an asymmetric structure, the original S-parameter extraction algorithm, the split-ring structure and a curved line structure are corrected.

Keywords: Metamaterial, split ring resonators, curved line, permittivity, permeability

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1新型人工电磁材料Metamaterial的历史发展以及最新进展 1

1.2新型电磁超材料最新进展 3

1.3本论文的研究内容和安排 4

第二章 等效媒质理论和常用单元结构介绍 6

2.1新型人工电磁媒质 6

2.1.1简单媒质介绍 6

2.1.2各向异性媒质介绍 6

2.1.3色散媒质介绍 7

2.2各向异性媒质的等效媒质理论 8

2.3各向异性谐振结构 10

2.3.1磁谐振结构 10

2.3.2电谐振结构 12

2.4本章小结 15

第三章 人工单元结构参数仿真 17

3.1CST仿真环境设置 17

3.2磁谐振结构 17

3.2.1开口环谐振结构 17

3.2.2开口方环结构 20

3.3 电谐振结构 21

3.3.1 ELC结构 22

3.3.2 I字型结构 25

3.3.3闭口方环结构 27

3.3.4弯曲线谐振器 29

3.4本章小结 31

第四章 电磁参数提取程序改进 32

4.1对称结构的电磁参数提取原理 32

4.2非对称结构的电磁参数提取原理 33

4.3前后算法对比 34

4.3.1SRR 34

4.3.2弯曲线结构 35

4.4本章小结 36

第五章 总结 37

致谢 38

参考文献 39

1. 绪论

1.1新型人工电磁材料Metamaterial的历史发展以及最新进展

Metamaterial是近年来材料科学领域新发展出的组合词汇，从字面可解释为超材料，这里我们称为新型人工电磁材料，它是由本身不同电磁特性的结构单元构成的一种人造媒质。它的特性主要是根据通过单元结构表现，而不同于自然媒质的特性由媒质材料本身特性所决定，因此人们可以方便地控制材料单元结构来得到所需要的等效介电常数、磁导率、折射率和阻抗等参数。这种性质的存在使得人们自由选择电磁参数的能力得以实现，也由此产生了广泛的应用前景。其中常见的如负折射材料，因其负介电常数和负磁导率的特性可以用于光学显微镜，这种材料也被称作为左手材料，可应用于核磁共振成像、隐形材料和吸波材料。又例如电等离子体和磁等离子体可以支撑表面等离激元的传播，还有如各向异性人工电磁材料应用在电磁波极化转换器、波束偏转器件等方面，如今关于新型人工电磁材料的报道和研究越来越多，得到了社会的广泛关注，有巨大的研究价值。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26413字