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1、. . .基于左手材料理念的小型化天线研究毕业论文目 录第一章 绪 论11.1 研究背景及意义11.2 国外左手材料发展历史21.3 国左手材料的发展现状41.4 左手材料的应用及优势51.4.1 天线覆层可提高天线定向性51.4.2 减少手机辐射对人体伤害51.4.3 隐身技术51.4.4 屏蔽技术51.4.5 小型化微波部件61.5 论文结构7第二章 天线基础理论92.1 方向函数92.2 方向图102.3 方向图参数112.4 方向系数122.5 天线效率142.6 增益系数152.7 极化方式162.8 输入阻抗与辐射阻抗162.9 频带宽度17第三章 左手材料理论及实现方式193.1
2、 左手材料基本理论193.2 左手材料的性质213.2.1电磁学性质223.2.2 负折射现象223.2.3 逆多普勒效应233.2.4 完美成像243.2.5 反常切伦柯夫辐射243.2.6 反Goos-Hnchen位移253.3 左手材料的人工实现263.3.1 传输线结构左手材料的实现263.3.2 金属谐振结构左手材料的实现273.3.3两种方法的优缺点283.4 左手传输线理论283.4.1 纯左手传输线理论283.4.2 左手材料实现天线小型化思想30第四章 左手材料实现天线小型化334.1 等效左手材料“蘑菇结构”334.1.1 N=2时模型及结果334.1.2 N=4时模型及结
3、果394.1.3 N=6时模型464.2左手材料在增加带宽方面的应用50第五章 总结与展望55致谢57参考文献59.参考资料. . .第一章 绪 论1.1 研究背景及意义 介电常数和磁导率是描述物质基本电磁性质的物理量，人们往往认为它们是正值，但实际上介电常数和磁导率都可以为负数。左手材料(Left-handed Materials，LHM)就是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料，最初由前苏联物理学家Veselago于1964年提出。 V. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative v
4、alues of and Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, 1968.与常规介质(Right-handed Medium，RHM)中电场强度及磁场强度、波矢量置服从“右手定则不同，左手材料中它们服从“左手定则。左手材料具有一些独特的电磁特性，如负折射效应、倏逝波放大、逆多普勒效应、逆切比科夫辐射、完美透镜和亚波长衍射等。利用上述特性，左手材料能够用于实现平板聚焦、天线波束汇聚，电磁隐身、完美透镜、超薄谐振器和天线小型化等，在军事和经济生活中有着广泛的应用价值。例如，为了实现通信系统的性、机动性、易携带性以及降低系统的复杂性
5、等特性，要求设计的天线具有高方向性、小型化、高增益等，这些特性都可以通过左手材料实现，而且LHM电路板印制实现方式，对于天线共面、易于与PCB板集成等都非常有利，因此LHM对于通信系统和武器装备的发展将会起到巨大的推动作用；太赫兹频段的左手材料可能实现太赫兹电磁波成像，该技术在军事、医疗、反恐等领域的应用前景十分广阔，如新型雷达、导航、远距离武器探测、医学成像等，其应用价值不可估量；红外波段和可见光频段的左手材料也有着非常重要的应用，如生物安全成像和指纹识别、遥感、微型器件、超灵敏单分子探测器和医学诊断成像等。因此，深入研究左手材料的空间电磁响应行为将对左手材料的实际应用具有重要的意义。在常规
6、介质微波分析和设计领域中，传输线方法是有效的分析工具之一。利用传输线方法来分析左手材料，可以使左手材料的应用变得更为直观、便捷，同时也为左手传输线设计提供了理论依据。左手材料传输线的实现形式是复合左右手传输线(Composite RightLeftHanded Transmission Line，CRLH TL)，CRLH特性是在某些频率围表现为“左手特性，具有左手材料电磁特性，而在其它频率围表现为“右手特性”。CRLH开创了一个全新的研究领域，是一种极有可能最先在实际中得到应用的左手材料。本文通过研究CRLH理论以及左手材料实现天线小型化的理论依据，采用CRLH结构设计了谐振在3.7G的小型
7、“蘑菇”结构天线及小型超宽带天线。1.2 国外左手材料发展历史 1968年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数和磁导率都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣，周期排列的金属线结构如图1.1所示。图1.1周期排列的金属线结构200
8、0 年，美国Smith 等首次利用开口谐振环（SRR）和电谐振器（如开口金属线）组成的阵列实现了“双负”材料。2001年，加州大学San Diego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也
9、从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。2003年美国Parazzoli C G等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据与模拟计算非常吻合，清晰而显著地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在。2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料。美国衣阿华州立大学（Iowa State University）的S. Foteinopoulou发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果。美国麻省理工学院的E.Cubukcu和K.Aydin在自然杂志发表文章，
10、描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。左手材料的研制进入了美国科学杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。2004年，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所宣布用左手材料研制成功一种具有超级分辨率的镜片，这种镜片可以构成不会丢失信息、将所有能量完全复制到成像点的完美透镜（Perfect Lens）。其原理是左手介质中能流方向和波矢方向相反，左手介质中倏逝波表现为指数增强场，相当于透镜对波进行了放大。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱紧邻无线电波。两国科学家的研究成果被美国物理学会评为2004年度国际
11、物理学会最具影响的研究进展。2005年，美国印第安那州普渡大学首次成功开发了波长1.5 m的红外线区域呈现负折射率的人造介质左手性特异材料。 全球首例面向红外线的“左手材料”将成为光通信领域的新旗手（OL）2005-12-22波长为1.5 m的红外线在光通信领域已被广泛采用。在光通信控制技术方面，此前的研究热点是硅微细线光导波路及光子结晶，而此次LHMs的开发成功，则提供了一种全新的光控方法。2008年，德国斯图加特大学Liu 等制备了多层的U形金纳米环结构， Liu N，Guo H C，Fu L W，et al. Three-dimensional photonic metamaterial
12、s at optical frequencies（J）. Nature Mater，2008，7:31分别在120 THz和200 THz附近实现了负的介电常数和负的磁导率。利用双模板辅助化学电沉积法制备了周期性排列的金属银树枝阵列， 发现其在红外波段具有很强的透射通带，并且在对应频率表现出明显的平板聚焦效应，得到了红外波段的左手材料。这是首次利用化学方法制备左手材料，对左手材料的发展起到了巨大推动作用。同年美国加州大学伯克利分校Valentine 等用多层鱼网结构第一次在红外波段实现三维的LHM ，并通过棱镜折射实验验证了其负折射行为。但是，由于LHM的结构单元远小于波长，目前的刻蚀工艺已经
13、严重制约了光波段LHM的进一步发展。1.3 国左手材料的发展现状2004年，国际学术界开始出现中国科学家的身影。复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验，论文发表于著名的美国物理评论杂志上，引起学术界的高度关注。利用SRR环和开口金属线组成阵列分别实现负磁导率和负介电常数，这种组阵方式的复杂性增加了制作难度。能否通过单一结构同时实现“双负”？国研究者进行了尝试。已经报道的有大学的“S”形 ，复旦大学的“工”形 ，西北工业大学的“H”形等。2008年6月，交通大学采用一种“巨”字形结构， 杨一鸣，屈绍波，王甲富. 由同时具有磁谐振和
14、电谐振结构组成的左手材料（J）.物理学报，2009，58（2）：10311035利用丝网印刷在氧化铝基板上进行加工制作，获得同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料。这种单一结构制作方便，双负频段较宽。通过模拟与测试，单一结构中能同时出现电谐振和磁谐振，并且由于谐振负区的重合而形成“双负”区域。采用丝网印刷制作的“巨”字结构样品如图1.2所示。 图1.2 氧化铝底板测试样品2008年8月，西北工业大学理学院晓鹏研究组在红外波段左手材料制备方面的研究取得新进展。 Liu H，Zhao X P，Yang Y，et al. Fabrication of infrared left-handed me
15、tamaterals via double template-assisted electrochemical deposition（J）.Adv Mater，2008，20:2050采用双模板辅助化学电沉积制备金属银树枝状结构阵列，制备出大面积（平方厘米级）红外左手材料。2009年9月，晓鹏研究组制备出蓝光波段左手材料。 李庆武，相建凯，赵延. 蓝光波段左手材料的化学制备方法（J）.材料导报，2009，23（9）：810，21采用双模板辅助化学电沉积法，以聚苯乙烯小球为初级模板，二维ZnO 有序多孔薄膜为二级模板，制备了银树枝状结构阵列，同时还研究了沉积电压对ZnO 有序多孔薄膜质量和银树枝形貌的影响。在最佳条件下制备了大面积（2cm2）银树枝状结构的周期性阵列，可见光透射峰的出现和聚焦实验证实制备的银树枝状结构阵列在蓝光波段480 nm 处实现了左手效应。1.4 左手材料的应用及优势1.4.1 天线覆层可提高天线定向性空间通信与微波武器等领域对天线的要求日益提高， 左手材料用在天线上具有独特优势，可以提高天线定向
