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新型平面人工传输线及其应用研究

作　者: 黄健全
导　师: 褚庆昕
学　校: 华南理工大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 人工传输线复合左/右手负介电常数慢波零阶谐振器超宽带
分类号: TN811
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

异向介质是由人工微结构组成的等效均匀电磁材料,由于电磁波在其传播时具有特殊的传导或辐射特性,已成为材料科学、光学和微波工程领域的前沿研究热点。广义地说,异向介质包括所有对电磁波传播具有特定影响且满足亚波长条件的人造材料或结构,如慢波结构、左手材料和复合左/右手结构等等。人工传输线通常由周期性微结构组成,可视为一维异向介质,其等效媒质参数可由单元结构控制。同时,由于人工传输线具有均匀传输线难以实现的可控奇特色散特性,为新型微波器件与电路的设计提供了新思路。本文主要研究平面人工传输线及其在微波器件中的应用。论文提出了多种新型平面人工传输线结构,包括具有高慢波因子和线性相位特性的慢波传输线、左/右手通带可独立控制的复合左/右手传输线及具有近零相位常数的负介电常数传输结构;并进一步探索新型平面人工传输线在微波器件如滤波器、耦合器、天线等小型化、多频/宽带化中的应用。主要工作如下:1、概述了分析人工周期性结构的基本理论和方法——Floquet定理和Bloch阻抗分析法,重点研究了平面人工传输线等效媒质参数的散射参数提取方法,阐述了人工传输线的等效媒质思想和控制方法;并且根据其等效媒质参数,把人工传输线分为慢波、复合左/右手和单负传输线;2、提出了基于混合型单元传输网络的新型慢波传输线。新结构不仅获得了较大的慢波因子和较小的插损,还具有线性相位特性,可以在宽带范围替代均匀传输线;1)由于X形传输网络具有与π形传输网络互补的相位响应,混合单元传输网络的相位响应和截止频率可以通过调整二者比例进行控制,在很宽的频带内实现类似均匀传输线的传输特性;2)基于混合型传输单元网络的新型平面慢波传输线具有较大的等效介电常数和磁导率,应用于微波器件中,可获得明显的小型化效果。其在环形混合网络中的应用表明,与采用均匀传输线的相比尺寸缩减54%,而性能相当;3、提出了一种改进的复合左/右手结构单元网络,在传统的复合左/右手结构单元内部引入交叉耦合,使其左/右手通带可独立控制;设计并制作了基于该网络的平衡型超宽带复合左/右手传输线,应用面耦合结构,显著改善传输线的高频特性,获得了超宽通带。并采用一单元该改进型复合左/右手结构设计了小型超宽带滤波器,其高端阻带由单元内部交叉耦合形成,具有小尺寸、低插损和良好选择性等优势;4、研究了谐振单元的负本构参数的形成机理,并由此提出了两种新型ENG传输结构,应用该ENG传输结构的窄带阻/陷波特性设计并制作了双陷波的超宽带滤波器。在不增加器件尺寸的前提下,实现了有实用水平的可控双陷波,从而有效降低了超宽带通信系统与其他通信系统(如WLAN等)间的相互干扰;5、研究了人工传输线零阶(Zeroth-Order Resonator, ZOR)和负数阶谐振器的特性和控制方法;提出了由一单元ENG传输结构构成的新型零阶谐振天线,通过在传输单元并联支路引入串联电容的方式降低Q值,从而使电小天线也获得了较高的辐射效率和增益。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-31
  1.1 人工传输线的涵义  12-15
    1.1.1 异向介质  12-13
    1.1.2 人工传输线及分类  13-15
  1.2 研究背景及意义  15
  1.3 平面人工传输线的研究现状  15-29
    1.3.1 平面均匀传输线  15-16
    1.3.2 平面人工传输线的结构研究  16-24
    1.3.3 平面人工传输线的应用研究  24-29
  1.4 现状分析  29-30
  1.5 论文主要研究内容  30-31
第二章人工传输线基础理论  31-49
  2.1 引言  31
  2.2 理想人工传输线  31-38
    2.2.1 均匀传输线  31-33
    2.2.2 人工传输线  33-38
  2.3 实际人工传输线的LC集总网络实现  38-40
  2.4 周期结构的基本分析方法  40-43
    2.4.1 Floquet 定理  40-41
    2.4.2 Bloch波和Bloch阻抗  41-43
  2.5 等效媒质参数的提取  43-48
    2.5.1 等效媒质的亚波长条件  44
    2.5.2 媒质参数的提取方法  44-48
  2.6 本章小结  48-49
第三章具有线性相位的慢波结构及其应用  49-69
  3.1 引言  49
  3.2 慢波传输线的理论基础  49-55
    3.2.1 慢波的定义及相关概念  50-52
    3.2.2 传统慢波结构的相位和等效媒质特性  52-55
  3.3 线性相位的慢波传输线  55-65
    3.3.1 具有线性相位特性的单元网络  55-58
    3.3.2 混合型单元网络的相位控制  58-60
    3.3.3 基于混合形单元网络的慢波传输线  60-65
  3.4 新型慢波结构在环形耦合器中的应用  65-67
  3.5 本章小结  67-69
第四章超宽带CRLH TL及其应用  69-91
  4.1 引言  69-70
  4.2 非谐振型负等效媒质的物理机理  70-76
    4.2.1 负介电常数产生的物理机理  70-72
    4.2.2 负磁导率产生的物理机理  72-75
    4.2.3 获得双负特性的物理机理  75-76
  4.3 新型超宽带CRLH TL  76-84
    4.3.1 CRLH TL单元特性  76-80
    4.3.2 新型CRLH TL的设计与实现  80-84
  4.4 基于CRLH 结构的超宽带滤波器  84-90
    4.4.1 滤波器设计  85-88
    4.4.2 滤波器制作与测量  88-90
  4.5 本章小结  90-91
第五章单负传输线及其陷波应用  91-116
  5.1 引言  91
  5.2 媒质参数控制机理  91-98
    5.2.1 TW电谐振单元的等效负介电常数  92-95
    5.2.2 SRR磁谐振单元的等效负磁导率  95-98
  5.3 基于CSRR的ENG传输线及其陷波应用  98-107
    5.3.1 SRR人工传输线单元的MNG特性  98-101
    5.3.2 CSRR人工传输线单元的ENG特性  101-103
    5.3.3 基于CSRR的双陷波超宽带滤波器  103-107
  5.4 基于短路线的ENG传输线及其陷波应用  107-115
    5.4.1 ENG传输线单元  107-110
    5.4.2 短路线ENG传输线单元在双陷波滤波器中的应用  110-115
  5.5 本章小结  115-116
第六章 ENG零阶谐振器及其在天线中的应用  116-130
  6.1 引言  116-117
  6.2 负数阶、零阶谐振器  117-124
    6.2.1 负阶数、零阶谐振器的基本原理  117-119
    6.2.2 负阶数、零阶谐振器的LC网络实现  119-121
    6.2.3 零阶谐振器的特性  121-124
  6.3 基于ENG零阶谐振器的高效率电小天线  124-129
    6.3.1 天线设计  124-127
    6.3.2 实验验证与讨论  127-129
  6.4 本章小结  129-130
结论  130-132
参考文献  132-148
攻读博士学位期间取得的研究成果  148-150
致谢  150-151
附件  151

新型平面人工传输线及其应用研究

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