電子科技大學(xué)微波通信實(shí)驗(yàn)一

1、電 子 科 技 大 學(xué)學(xué)生姓名： 李亞洲學(xué) 號(hào)： 201322040409指導(dǎo)教師： 楊宏春課程名稱：微波通信專業(yè)學(xué)位綜合實(shí)驗(yàn)1實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告電 子 科 技 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名： 李亞洲 學(xué) 號(hào)： 201322040409 指導(dǎo)教師：楊宏春 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 科研樓707 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：第一周一、 實(shí)驗(yàn)室名稱： 電子與通信工程專業(yè)碩士實(shí)驗(yàn)室2、 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：人工電磁材料在微波無(wú)源器件中的應(yīng)用（頻域）三、實(shí)驗(yàn)原理：1、人工電磁材料概述人工電磁材料通常是指自然界中不存在的，通過(guò)人工制造且具有天然材料所不具備的特殊電磁性質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。廣義地，如果描述材料的一組主要參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)具有自

2、然材料所不能達(dá)到的取值，且這些參數(shù)及其變化可以用來(lái)滿足人們的某種特殊電磁功能需求，那么，這些材料都可以成為人工電磁材料。例如，高介電常數(shù)(er102量級(jí))，適當(dāng)電導(dǎo)率(s104-1010)，電磁帶隙結(jié)構(gòu)(Electromagnetic Band Gap，EBG)，光子晶體(Photonic Band Gap，PBG)，負(fù)介電常數(shù)、正磁導(dǎo)率材料(Epsilon Negative Material，ENG)，正介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率(Magnetic Negative Media，MNG)，左手材料(Double Negative Material，DNG)等等人工合成材料，都可以稱為人工電磁材料。人

3、工電磁材料既可以是一種人工合成的確定材料(如高介電常數(shù)、適當(dāng)電導(dǎo)率材料等類型)，這些材料往往介電常數(shù)和電導(dǎo)率為正值，也稱DPS(Double Positive Material)材料；也可以是在自然材料基礎(chǔ)上，通過(guò)加工某種功能結(jié)構(gòu)，使其電磁帶隙、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等參數(shù)達(dá)到人們的某個(gè)預(yù)期取值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一些自然材料不能實(shí)現(xiàn)的功能。盡管人工電磁材料可以表現(xiàn)出各種各樣的功能特征，但從物理實(shí)質(zhì)上看，總是因?yàn)椴牧现形⒂^載流子運(yùn)動(dòng)環(huán)境(如勢(shì)場(chǎng)、能帶結(jié)構(gòu)、散射與復(fù)合機(jī)制等)發(fā)生了變化，或使得電磁波傳輸函數(shù)發(fā)生改變，而這些變化可以宏觀地歸結(jié)為材料的一個(gè)或多個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)發(fā)生了改變。因此，研究人工電磁材料的應(yīng)用，既可

4、從分析載流子微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化入手，也可從分析材料宏觀參數(shù)變化的影響因素的“唯象”研究方法著手。人工電磁材料在微波傳輸線、微波器件、天線、微波電路與系統(tǒng)中有重要應(yīng)用，也是近些年來(lái)無(wú)線通信技術(shù)中的熱點(diǎn)研究課題之一。人工電磁材料在微波器件小型化、電磁儲(chǔ)能、微波吸收、電磁隔離或?qū)?、隱身、定向天線、表面波抑制、負(fù)折射、微納光學(xué)、光通(阻)帶等許多高新技術(shù)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。2、左手材料及其典型單元結(jié)構(gòu)2.1 左手材料及典型單元結(jié)構(gòu)概述1968年，蘇聯(lián)物理學(xué)家V. G. Veselago提出了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的左手材料概念，并理論研究了左手材料中電磁波的傳播特性。Pendry于1996 年從理

5、論上證明了由金屬棒(Rod)構(gòu)成的三維周期結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)特征類似于等離子體，其等離子體頻率位于吉波段，且具有負(fù)的介電常數(shù)；1999年他進(jìn)一步研究了周期結(jié)構(gòu)的等效磁導(dǎo)率行為，提出了對(duì)周期性排列的金屬開口諧振環(huán)(SRR，Split-Ring Resonator)，當(dāng)電磁波的頻率低于SRR結(jié)構(gòu)的共振頻率時(shí)，該系統(tǒng)具有負(fù)的磁導(dǎo)率。Smith 等將 Pendry提出的兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)電路板刻蝕技術(shù)在玻璃纖維基板的兩面分別刻蝕金屬銅開口諧振環(huán)和金屬銅桿，并將其一一對(duì)應(yīng)排列成結(jié)構(gòu)材料(如圖1-1a)，首次實(shí)現(xiàn)了左手材料設(shè)計(jì)與研制LHM (left hand marterial)，其頻率范圍為4.2

6、-4.6 GHz。除由SRR與Rod結(jié)構(gòu)單元形成LHM外，美國(guó)加州大學(xué)TItoh教授和加拿大多倫多大學(xué)G. V. EleRheriades教授提出了由微帶線、共面波導(dǎo)等傳輸線結(jié)構(gòu)所形成的左手材料(如圖1-1b)。a SRR與Rod構(gòu)成的左手材料單元b 復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)單元圖1.1典型ENG、MNG、DNG的功能結(jié)構(gòu)單元c 變形SRR結(jié)構(gòu)單元目前，依據(jù)Rod、SRR及左右手傳輸線實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率或左手材料的基本原理，人們改進(jìn)出各種實(shí)現(xiàn)ENG、MNG或DNG材料的變形功能結(jié)構(gòu)單元。圖1-1c給出了文獻(xiàn)中典型的變形SRR結(jié)構(gòu)，優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)的形狀及尺寸，可以在不同頻帶實(shí)現(xiàn)ENG、MNG或D

7、NG材料。2.3.2周期排列金屬桿形成ENG材料的基本原理如圖1.2a，如果將金屬桿輻射電磁波時(shí)，桿內(nèi)電子微觀運(yùn)動(dòng)被視作電子氣的等離子體諧振，并設(shè)等離子諧振頻率為wp，那么，理想情況下金屬桿的介電常數(shù)可表為12 (1-1)等離子體頻率wp由電子濃度n，電子質(zhì)量me和電荷量e決定 (1-2)如果考慮金屬中電子散射(g為電子與中性粒子散射頻率)，依等離子體物理 (1-3)如圖1.2a，如果將周期性排列的金屬桿視作電子氣等離子體，那么有效電子密度neff為 (1-4)金屬桿電流在空間R處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 (1-5)v為電子運(yùn)動(dòng)的平均速度。圖1.2 周期排列Rod、SRR理論分析模型a無(wú)限長(zhǎng)周期排列R

8、od模型b周期排列SRR模型用矢量位A表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，則 (1-6)其中 (1-7)電子在電場(chǎng)中所受沖量為eA，單位長(zhǎng)度金屬線上受力為 (1-8)考慮Fe=ma，依1-8式，可定義電子有效質(zhì)量meff (1-9)對(duì)金屬桿輻射的電子氣等離子體諧振模型，同時(shí)考慮1-4式引起的有效電子濃度和1-9式的電子有效質(zhì)量，修正1-2式，可得等離子體的共振頻率為 (1-10)其中，c0為真空中的光速。將1-10式代入1-3式，并同時(shí)代入g因子的表達(dá)式，可得 (1-11)由1-11式，當(dāng)w<wp時(shí)，eeff實(shí)部為負(fù)，即形成ENG材料。2.2周期排列SRR形成MNG材料的基本原理如圖1.2b，對(duì)周期排列無(wú)限長(zhǎng)

9、導(dǎo)電圓柱，其等效磁導(dǎo)率定義為 (1-12)其中H0為外部所加的平行于導(dǎo)體柱的磁場(chǎng)。導(dǎo)電圓柱在縱向上無(wú)限長(zhǎng)；周期排列的空間間距為a，外加磁場(chǎng)H0平行于圓柱。單位長(zhǎng)度感應(yīng)電流為j，則柱體內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 (1-13)根據(jù)法拉第定理，環(huán)繞金屬柱體的總電動(dòng)勢(shì)e為外部磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的壓降之和，即 (1-14)其中為圓柱體表面薄層單位面積上的電阻。當(dāng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到平衡時(shí)，e=0，感應(yīng)電流可以表示為 (1-15)導(dǎo)體外的平均電場(chǎng)強(qiáng)度為 (1-16)比較1-12式與1-16式可得 (1-17)由上式可以看到周期排列的無(wú)限長(zhǎng)金屬柱可以降低等效磁導(dǎo)率。a 開口雙金屬環(huán)結(jié)構(gòu)圖1.3

10、金屬諧振環(huán)及其周期排列結(jié)構(gòu)b SRR結(jié)構(gòu)如圖1.3a，當(dāng)兩個(gè)開口的金屬環(huán)嵌套，環(huán)的開口阻止了電流在任意一個(gè)環(huán)上流動(dòng)，這使得雙環(huán)之間產(chǎn)生電容效應(yīng)，而構(gòu)成了無(wú)限長(zhǎng)開環(huán)諧振器。此時(shí)感應(yīng)電流與外加磁場(chǎng)的關(guān)系可以表示為 (1-18)其中 (1-19)由此便可以計(jì)算出周期排列開口環(huán)的等效磁導(dǎo)率 (1-20)對(duì)圖1.3b所示SRR結(jié)構(gòu)，假設(shè)>>c，>>d，則雙環(huán)間的電容C為 (1-21)所以 (1-22)其中a為同層開環(huán)諧振器的間距，r為環(huán)半徑，c為環(huán)寬度，d為環(huán)間距，l為環(huán)縱向間距。從一個(gè)開口金屬諧振環(huán)中穿過(guò)的磁能量在環(huán)上產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁偶極矩又會(huì)反過(guò)來(lái)削弱或增強(qiáng)局部

11、磁場(chǎng)。當(dāng)入射電磁波的頻率與結(jié)構(gòu)的本征頻率接近時(shí)，這種削弱和增強(qiáng)的作用變得十分顯著，甚至起支配作用，因而極大地改變了局部磁場(chǎng)。在諧振頻率附近，當(dāng)入射波頻率小于本征頻率時(shí)磁偶極矩與入射波的磁場(chǎng)方向一致，而當(dāng)入射波頻率大于本征頻率時(shí)磁偶極矩將與入射波磁場(chǎng)方向相反，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率。在一個(gè)由直金屬棒構(gòu)成的陣列中，如果對(duì)它們施加一個(gè)變化頻率低于共振頻率的場(chǎng)，就會(huì)得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正響應(yīng)；如果施加一個(gè)變化頻率高于共振頻率，響應(yīng)就會(huì)變成負(fù)值。這樣，金屬棒就能在某個(gè)頻率范圍之內(nèi)提供擁有負(fù)e的電響應(yīng)，而諧振環(huán)也可以在同樣的頻段范圍內(nèi)提供擁有負(fù)m的磁響應(yīng)，從而使材料具有負(fù)的折射率。Smith還采用兩個(gè)開口方向相反的

12、金屬環(huán)組成一個(gè)諧振單元結(jié)構(gòu)，目的是使內(nèi)外金屬環(huán)成為等效電容的兩個(gè)極板，在極板間聚集電場(chǎng)的能量，使諧振頻率降低。2.3復(fù)合左右手傳輸線形成LHM材料的基本原理復(fù)合左右手傳輸線形成LHM材料，可以用傳輸線理論加以分析。電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程與傳輸線電壓電流方程有相似的形式，將傳輸線電壓、電流方程和電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程相類比，可以得到等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率的計(jì)算公式。傳統(tǒng)的傳輸線可以等效為并聯(lián)電容和串聯(lián)電感，類比得到的其等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均大于零；左手介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均小于零，與其對(duì)應(yīng)的傳輸線結(jié)構(gòu)應(yīng)該是串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，將這種結(jié)構(gòu)單元周期性排列，即可構(gòu)成一維左手傳輸線，這就是用傳輸線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)左手

13、材料的基本原理。如圖1.4a所示均勻右手傳輸線，取其一無(wú)限小線元Dz，其集總等效電路如圖1.4a所示。根據(jù)對(duì)偶原理，對(duì)右手傳輸線的等效電路作對(duì)偶變換，可得到圖1.4b所示的理想左手傳輸線復(fù)合左右手傳輸線的等效電路模型，為簡(jiǎn)化分析，此處僅考慮傳輸線為無(wú)耗時(shí)的情況。a 右手傳輸線及其等效電路圖1.4 右手、左右手復(fù)合傳輸線及其等效電路b 左手、復(fù)合左右手傳輸線的等效電路右手傳輸線的電壓電流方程可以表示為 (1-23)由麥克斯韋方程可以得出均勻物質(zhì)中時(shí)諧電磁波的解為 (1-24)對(duì)比式1-23與式1-24，可得右手傳輸線的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率為 (1-25)同理，對(duì)左手傳輸線等效電路，其等效介電

14、常數(shù)和等效磁導(dǎo)率表達(dá)式為 (1-26)圖1.4b所示左手傳輸線的等效電路的等效為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)，構(gòu)成了LHM。當(dāng)電磁波在左手傳輸線中傳播時(shí)，流經(jīng)C¢L的電流可以產(chǎn)生磁通量并穿過(guò)寄生串聯(lián)電感分量L¢L，而存在于表層金屬導(dǎo)線與接地面之間的電壓降將在線上引入寄生并聯(lián)的電容分量C¢R。所以，考慮到寄生效應(yīng)，純粹的左手傳輸線是不存在的，應(yīng)為“復(fù)合左右手傳輸線”，如圖1.4b第二圖所示，其等效電路不僅包含左手特征的串聯(lián)電容分量C¢L，并聯(lián)電感分量L¢L，還包含反映寄生右手特性的串聯(lián)電感分量L¢R和并聯(lián)電容分量C¢R。復(fù)合左右手傳

15、輸線傳播常數(shù)g=a+ib=(Z¢Y¢)1/2，其中Z¢、Y¢分別為單位長(zhǎng)度的阻抗和單位長(zhǎng)度的導(dǎo)納。CRLH傳輸線的Z¢、Y¢分別為 (1-27)傳輸線的特性阻抗為 (1-28)其中wse為串聯(lián)諧振頻率，wsh為并聯(lián)諧振頻率。， ， ， (1-29)由式1-28、式1-29可知，CRLH傳輸線的特性阻抗是一個(gè)與頻率w及LC元件參數(shù)均有關(guān)的分量，當(dāng)角頻率w®¥時(shí)，Z¢L、Y¢L®0，傳輸線中左手效應(yīng)消失，CRLH傳輸線等同于純右手傳輸線；當(dāng)w®0時(shí)，Z¢R、Y¢

16、;R®0，傳輸線的右手寄生效應(yīng)消失，CRLH傳輸線等同于理想的左手傳輸線。傳輸線的傳播常數(shù)g為 (1-30)其中， ， (1-31)s(w)是符號(hào)函數(shù)，定義為 (1-32)圖1.5 傳輸線的色散關(guān)系當(dāng) s(w)=-1時(shí)相位因子b為負(fù)值，相速與群速平行反向，表現(xiàn)為左手材料的傳播特征；而s(w)=1時(shí)，b為正值，相速與群速方向相同，表現(xiàn)為右手材料的傳播特征；但當(dāng)工作頻率位于min(wse,wsh), max(wse,wsh)區(qū)間時(shí)，如圖15所示，傳播常數(shù)為一實(shí)數(shù)a (假定傳輸線無(wú)耗)，在傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線中出現(xiàn)凹陷區(qū)，構(gòu)成了電磁波傳播的阻帶區(qū)域。對(duì)于CRLH (1-33)可見CRL

17、H傳輸線中介電常數(shù)，磁導(dǎo)率亦是和頻率及LC元件參數(shù)有關(guān)的分量。當(dāng)角頻率w®0時(shí)，m¢eff=-1/(w2C¢L)，e¢eff=-1/(w2L¢L)，趨同于理想左手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)；而當(dāng)w®¥時(shí)，m¢eff=L¢R，e¢eff= C¢R，趨同于普通右手材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解人工電磁材料的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀;2. 掌握人工電磁材料基本單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并將這些單元結(jié)構(gòu)應(yīng)用到微波無(wú)源器件設(shè)計(jì)中；3. 掌握微波器件主要參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，熟練使用測(cè)試儀器。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.

18、 用示波器觀察脈沖源發(fā)出的波形圖；2. 用示波器觀察蝶形天線發(fā)射后接受到的波形；3. 分析接收波形的頻譜。六、實(shí)驗(yàn)器材PC、HFSS仿真環(huán)境、CST仿真環(huán)境導(dǎo)線、銅絲若干、待測(cè)天線、衰減器，任意波形發(fā)生器（N8242A），信號(hào)源（高斯信號(hào)），示波器，頻譜儀。七、實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 實(shí)驗(yàn)儀器校準(zhǔn)與測(cè)試電路連接(a) 使用需防靜電的實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，應(yīng)穿戴好防靜電服和防靜電手套等，避免靜電對(duì)昂貴實(shí)驗(yàn)儀器的損毀；(b) 按射頻信源/脈沖電源，寬帶信號(hào)分析儀說(shuō)明書校準(zhǔn)或歸零實(shí)驗(yàn)儀器；(c) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容，按圖1.8連接好實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路；(d) 檢查實(shí)驗(yàn)儀器或測(cè)試電路的接地是否良好；(2) 信號(hào)源的頻譜測(cè)試(a) 按圖1.8a測(cè)試沖激信號(hào)頻譜時(shí)，應(yīng)首先測(cè)試環(huán)境噪聲信號(hào)頻譜，并記錄噪聲信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)；(b) 按圖1.8a測(cè)試饋電信號(hào)頻譜，并記錄饋電信號(hào)頻譜測(cè)試數(shù)據(jù)；(c) 按圖1.8a試輸出信號(hào)頻譜，并記錄輸出信號(hào)頻譜測(cè)試數(shù)據(jù)；(3) 微波器件S參數(shù)測(cè)試(a) 按圖1.8b測(cè)試微波器件S參數(shù)時(shí)，應(yīng)首先測(cè)試環(huán)境噪聲信號(hào)波形參數(shù)，并做實(shí)驗(yàn)記錄；(b) 按圖1.8b測(cè)試微波器件S參數(shù)并記錄波形參數(shù)的數(shù)據(jù)和圖片文件；8、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：實(shí)驗(yàn)所得圖形如下：九、實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的蝶形天線能夠很好的將高斯信號(hào)