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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 左手结构在微波无源器件中的应用研究 姓名：孙全 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：赵永久 2010-12 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 左手材料作为一种新型人工材料， 自 2000 年通过一些特殊结构被成功制造出来后， 由于具 有介电常数与磁导率同时为负的特性，在微波器件以及微波电路设计中的应用潜力被逐渐挖掘 出来。在通常意义上，我们把用来构成左手材料的各种结构统称为左手结构。目前左手结构中 最常用的两种实现方式是开口谐振环 （Split Resonant Ring, SRR） 结构和基于传输线理论的复合 左右手传输线（CRLH）
2、结构。本文主要从 CRLH 结构以及简化的复合左右手传输线（SCRLH） 结构入手，并研究此类左手结构在微波无源器件，诸如定向耦合器、滤波器和天线方面的应用。 本文的主要内容和创新点包括以下几点： 1、 对传统的复合左右手传输线结构进行了理论分析， 设计了一种基于复合左右传输线结构 的超宽带滤波器，具有良好的带内和带外性能。 2、提出了一种新型的 CRLH/SCRLH 定向耦合器，并从理论上进行了分析，该耦合器具有 强耦合、结构紧凑、工作带宽宽等特性。 3、研究了零模谐振器的特点和实现方法，并用 SCLRH 零模谐振器设计出一个两腔的窄带 带通滤波器，该滤波器具有结构紧凑、带外阻带宽的优点。
3、4、 分别设计了一种基于 CRLH 的改进型的零模谐振天线和一种基于 SCRLH 的零模谐振天 线，借助电磁仿真软件 HFSS 对这两类天线进行详细仿真分析，研究结果表明该类天线具有结 构紧凑，工作频率易调节等优点。 5、 具有陷波特性的超宽带天线一直是超宽带天线中研究的热点， 本文将左手结构引入到双 带陷超宽带天线的设计中，实际设计并加工了一款基于 SCRLH 谐振器的双带陷超宽带天线。 关键词：左手结构，复合左右手传输线，滤波器，定向耦合器，微带天线，超宽带天线 左手结构在微波无源器件中的应用研究 II ABSTRACT Since left-handed materials have b
4、een successfully realized by special structures in 2002, left-handed materials, as a new kind of metamaterials with the characteristic of simultaneous negative permittivity and negative permeability, they gradually show significant application potentials in microwave components and microwave circuit
5、s design. Generally, various structures which realize the left-handed materials are defined as left-handed structures. In recent years, the most common structure to achieve left-handed materials are divided to split ring resonator (SRR) and composite right/left-handed transmission (CRLH) structure b
6、ased on transmission line theory. In this thesis, the composite right/left-handed transmission line structure and the simplified composite right/left-handed transmission line (SCRLH) structure is analyzed firstly. And then their application in microwave passive components is investigated, such as di
7、rectional couplers, filters, antennas The original works and valuable results of this thesis are as follows: 1. The traditional composite right/left-handed transmission structure based on the transmission line theory is analyzed first of all. An ultra-wideband (UWB) filter based on the CRLH structur
8、e is designed, which can improve the in-band and out-of-band performance. 2. A new kind of CRLH/SCRLH directional couplers is proposed which has superior characteristics, such as strong coupling, compact size, and broad bandwidth. 3. The zero order resonators characteristics and its realization are
9、studied in this thesis. Then, a narrow-band bandpass filter with two zero order SCRLH resonators are designed, which has compact size, wide out-of-band rejection bandwidth. 4. An improved CRLH zero order microstrip antenna and improved SCRLH zero order resonance antenna are designed and fabricated.
10、The results show that they have characters of compact size, easily frequency adjustment. 5. Recently, the design of ultra-wideband antenna with band-notched characteristics is a hot spot. In this thesis, the SCRLH resonator is used for the notched band of the UWB antenna. A new (UWB) antenna with du
11、al notched bands utilizing a simplified composite right/left-handed (SCRLH) resonator is proposed. Key Words: Left-handed structure, composite right/left-handed transmission, filter, directional coupler, microstrip antenna, ultra-wideband antenna 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图、表清单 图 1. 1 由金属直导线和开口谐振构成的左手结构 . 2
12、图 1. 2 传输线模型的 CRLH 左手结构 . 2 图 1. 3 电磁波在右手材料和左手材料中传播示意图 3 图 1. 4 电磁波传播的波印亭矢量S r 和波矢量k r 关系图 . 4 图 1. 5 电磁波入射到两个普通介质分界面的斯涅尔折射效应 5 图 1. 6 电磁波在右手材料和左手材料分界面处的逆斯涅尔折射效应 6 图 1. 7 右手材料中切伦科夫辐射示意图 6 图 1. 8 左手材料中切伦科夫辐射示意图 . 7 图 1. 9 平板聚焦 7 图 2. 1 纯右手传输线和纯左手传输线等效电路模型 . 9 图 2. 2 理想复合左右手结构等效电路模型 10 图 2. 3 复合左右手结构传
13、输线的特征阻抗曲线图 12 图 2. 4 复合左右手传输线结构的色散特性图 14 图 2. 5 平衡状态下复合左右手传输线结构的色散特性图 14 图 2. 6 平衡状态下复合左右手传输线结构传输系数 15 图 2. 7 超宽带滤波器结构图 15 图 2. 8 超宽带滤波器 S 参数仿真曲线 16 图 2. 9 超宽带滤波器 S21 相位曲线 16 图 2. 10 超宽带滤波器群时延仿真曲线 16 图 2. 11 改进型超宽带滤波器结构图 17 图 2. 12 改进型超宽带滤波器 S 参数仿真曲线 17 图 2. 13 改进型的超宽带滤波器群时延曲线 18 图 2. 14 两个单元级联的超宽带滤
14、波器结构图 18 图 2. 15 两个单元级联的超宽带滤波器 S 参数仿真曲线 18 图 3. 1 平行耦合线定向耦合器结构.20 图 3. 2 非对称平行耦合线 c 模式情况下电压波和电流波 21 图 3. 3 非对称定向耦合器 23 图 3. 4 复合左右手传输线单元结构示意图和电路模型 24 图 3. 5 复合左右手传输线结构色散曲线 25 左手结构在微波无源器件中的应用研究 VI 图 3. 6 CRLH 传输线单元的频率响应和等效曲线 25 图 3. 7 简化复合左右手传输线单元结构示意图和等效电路模型 26 图 3. 8 简化复合左右手传输线色射曲线 26 图 3. 9 CRLH 传
15、输线单元的频率响应和等效曲线 . 27 图 3. 10 CRLH/SCRLH 定向耦合器结构模型图 . 27 图 3. 11 一个单元的 CRLH/SCRLH 定向耦合器电路模型 . 27 图 3. 12 定向耦合器实物图 28 图 3. 13 定向耦合器 S11和 S21测试和仿真结果 . 29 图 3. 14 定向耦合器 S31和 S41测试和仿真结果 . 29 图 4. 1 CRLH 零模谐振器图和 SCRLH 零模谐振器 31 图 4. 2 一个单元的 CRLH 零模谐振器 32 图 4. 3 CRLH 零模谐振器 S 参数 . 32 图 4. 4 SCRLH 的等效电路模型 . 32
16、 图 4. 5 SCRLH 的色散曲线 33 图 4. 6 一个单元的 SCRLH 零模谐振器 33 图 4. 7 SCRLH 零模谐振器 S 参数 34 图 4. 8 一个 SCRLH 传输线单元 ZOR 结构图和等效电路模型 . 34 图 4. 9 SCRLH 零阶谐振器的仿真结果 . 35 图 4. 10 滤波器结构图和滤波器原理图 35 图 4. 11 基于零模谐振器耦合滤波器的实物图 36 图 4. 12 基于零模谐振器耦合滤波器仿真和测试结果 36 图 5. 1 CRLH 天线和 CRLH 双层天线38 图 5. 2 增益加强型左手结构微带天线 39 图 5. 3 CRLH 传输线单元电路模型以及 CRLH 传输线单元的散射曲线 . 39 图 5. 4 四个 CRLH 传输线单元电路模型 . 40 图 5. 5 去除串联支路 CRLH 传输线单元电路模型 . 40 图 5. 6 四个 CRLH 单元
