左手材料理论.

《左手材料理论.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《左手材料理论.（36页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、(1) 了解人工电磁材料的基本工作原理及其应用现状了解人工电磁材料的基本工作原理及其应用现状(2) 利用人工电磁材料设计微波器件利用人工电磁材料设计微波器件(时域、频域时域、频域)(3) 掌握微波器件主要参数的实验测试方法掌握微波器件主要参数的实验测试方法1 实验目的实验目的2 实验原理实验原理2.1 人工电磁材料的基本概念人工电磁材料的基本概念通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具备的特殊电磁性质的复合结构或复合材料备的特殊电磁性质的复合结构或复合材料(1) 人工电磁材料的基本概念人工电磁材料的基本概念(2) 典型特征典型特征

2、 材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值 材料参数及其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求材料参数及其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求(3) 典型人工电磁材料典型人工电磁材料(a) 光子晶体光子晶体 (Photonic Band Gap，PBG) 光子晶体模型的典型结构光子晶体模型的典型结构UC-EBG结构结构 (b) EBG带隙材料带隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)基底周期空洞基底周期空洞高阻抗表面结构高阻抗表面结构(c) 吸波材料或特殊吸波材料或特殊 r 、 材料材料RH2100铁氧体铁氧体 负负 r 、

3、正、正 材料材料(Epsilon Negative Material，ENG) 正正 r 、负磁导率、负磁导率(Magnetic Negative Media，MNG)左手材料左手材料 (Double Negative Material，DNG)(d) ENG、MNG、DNG 材料材料Rod周期结构的周期结构的ENG材料材料SRR周期结构的周期结构的MNG材料材料Rod、SRR结构结构DNG材料材料(4) 人工电磁材料的主要应用人工电磁材料的主要应用 微波器件小型化、定向天线微波器件小型化、定向天线 微波吸收微波吸收 电磁电磁(光光)隔离或导通隔离或导通 表面波抑制表面波抑制 隐身、负折射隐身

4、、负折射(a) 应用领域应用领域传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统(b) 实现功能实现功能2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料的基本工作原理人工电磁材料的基本工作原理(1) 周期排列金属杆形成周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理材料的基本原理 存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子体谐振，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为体谐振，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为 221 pmetal 其中，等离子体频率其中，等离子体频率 p为为epmne

5、022 (1-1)(1-2)考虑考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为 视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为)i(12 pnormal22arnneff 其中，其中， 表示电子与中性粒子的散射频率表示电子与中性粒子的散射频率金属杆电流在空金属杆电流在空间间R处产处产生的磁场强度为生的磁场强度为RenrRIRH22)(2v (1-3)(1-4)(1-5)其中，其中，v为为电子的平均速度电子的平均速度用矢量位用矢量位 A 表示磁场强度，则表示磁场强度，则ARH 10)( )(ln2)(

6、20RaenrRAv 其中其中电子在电场中所受冲量为电子在电场中所受冲量为eA，单位长度细金属棒动量改变量，单位长度细金属棒动量改变量 vvnrmnrranrernArePeffe222202ln2)( 其中，电子有效质量其中，电子有效质量meff为为(1-6)(1-7)(1-8) ranremeffln2220 (1-9)将式将式1-4、式、式1-9代入式代入式1-2)(ln222022raacmeneffeffp (1-10)将式将式1-10代入式代入式1-3，并同时代入，并同时代入 因子的表达式因子的表达式 22202i1rappeff(1-11)当当 p时，时， eff 实部为负，即为

7、实部为负，即为ENG材料材料(2) 周期排列周期排列SRR形成形成MNG材料的基本原理材料的基本原理对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为00HBeffave (1-12)H0为外加平行于导体的磁场为外加平行于导体的磁场设柱体内感应电流为设柱体内感应电流为 j，则，则柱体内柱体内磁场强度为磁场强度为jarjHHin220 (1-13)环绕金属柱体的总电动势为环绕金属柱体的总电动势为jrjarjHrRIBt 2i22002 当电动势平衡时，感应电流当电动势平衡时，感应电流j可以表示为可以表示为022202i1 rrarHj (1-14)(1-15)导

8、体外平均磁场强度为导体外平均磁场强度为1022002202i12i1 rarrHjarHHave(1-16)比较式比较式1-12、式、式1-16102202i11 rarHBaveaveeff 无限长周期排列金属棒可以降低磁导率无限长周期排列金属棒可以降低磁导率对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为(1-17)jCrrjjarHr)i12()(i222002 2001cddC (1-18)(1-19)周期排列的开口环的等效磁导率周期排列的开口环的等效磁导率03222222i311 rrdcareff (1-20)对平面排列的对平

9、面排列的SRR结构，考虑到双环之间的电容结构，考虑到双环之间的电容 dccdcC2ln12ln2000 (1-21)1320202232i11 Crlrlareff 103220222i/2ln311 rldcrlcareff(1-22)(3) 复合传输线形成复合传输线形成LHM材料的基本原理材料的基本原理左手、复合左右手传输线等效电路左手、复合左右手传输线等效电路右手传输线等效电路右手传输线等效电路右手传输线右手传输线的电压电流方程可以表示为的电压电流方程可以表示为A 右手传输线的电磁参数右手传输线的电磁参数由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁波的解为由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁

10、波的解为 YUzIZIzU xyyxEzHHzEii(1-23)(1-24)对比式对比式1-23与式与式1-24 0iii0iiiRReffRReffCCYLLZ (1-25)对对左手传输线左手传输线，其等效介电常数和等效磁导率表达式为，其等效介电常数和等效磁导率表达式为 01i1i1i01i1i1i22LLeffLLeffLLYCCZ (1-26)左手传输线构成了左手传输线构成了LHM材料材料 B 左手传输线的电磁参数左手传输线的电磁参数C 左右手传输线的电磁参数左右手传输线的电磁参数由传输线定理，传播常数由传输线定理，传播常数YZ iCRLH传输线的传输线的Z 、Y 分别为分别为 LRLR