左手特性结构及其在滤波器中的应用

1、上海交通大学硕士论文 IV摘要摘要 左手材料是一种介电常数与磁导率同时为负的人工合成材料。该材料自2000 年在实验上实现之后，引起了人们广泛的研究兴趣，其特殊的电磁性质使该材料具有重要的应用价值。目前实现左手材料已有多种方法，其中平面复合左右手传输线结构在平面微波电路及元器件设计中表现出了非常大的潜力。现如今， 无线通信技术飞速发展， 使得合理分配和利用有限的频谱资源显得尤为重要。研制小型化，低成本，低功耗的微波电路已成为一项迫切的任务。因此，在微带线中引入左手特性，以达到小型化，高选择性以及抑制高次谐波等优点的方法，正引起业界的注意，并逐渐发展起来。 本论文主要研究了左手特性结构及其在滤波器中的应用。 主要分析了基于逆开环谐振器(CSRR)的微带线型谐振式复合左右手传输线结构，提出了一种新型带通滤波器。本论文的内容安排如下： 第一章和第二章，主要介绍了左手结构的发展和前景，以及它的基本理论，奇特性质。 第三章介绍了滤波器设计的基本原理以及基本技术参数。 第四章提出了一种基于主要研究基于 SRR 的共面波导谐振型左手传输结构，对其设计和仿真，并进行加工，测试，最后得出结果与实验结果相

2、符合。 第五章介绍了复合左右手结构和 CSRR 的基本原理， 提出了一种新型带通滤波器，通过利用左右手复合传输线的独有特性，采用了底板蚀刻长方形逆开环谐振器结构的方法，来提高传输性能，在达到同样效果的前提下，减小尺寸。该滤波器加工容易，成本低廉，符合平面结构微波电路和器件的应用需求。 关键字关键字：左手材料，逆开环谐振器，复合左右手传输线，零阶谐振器，小型化 上海交通大学硕士论文 VABSTRACT Left-handed materials (LHMs) is a newly discovered artificial metamaterial with negative permittivity and negative permeability simultaneously. Since the experimental realization of this kind of material in 2000, it has stirred a growing interest among experimental and theoretical researchers. LHM

3、s material have many valuable technical applications. In recent years, several methods have been proposed to realize left-handed materials(LHMs), and among them planar composite right/left-handed (CRLH) transmission line structures have shown their tremendous potential in microwave circuits and components design. With the rapid development of modern wireless communication technology, it becomes more and more important to use the finite frequency resource reasonably and efficiently. Miniaturizati

4、on, low cost and low power loss of microwave circuits becomes an urgent task. Using LHMs to realize miniaturization, high frequency selectivity, wide stop-band and low-loss characteristics, have attracted more and more attention and developed gradually. In this paper, the left-handed structures and its application in the filter are studied, mainly analyzes the propagation characteristics of microstrip resonant-type CRLH transmission line structure based on complementary split ring resonator (CSR

5、R), a novel band-pass filter based on the structure is proposed. The content of this paper are arranged as follow: In chapter1 and chapter2, the development and prospect of left-handed structures ,the basic theories, and its characteristics are introduced. In chapter3, the filter design theories and the basic technical parameter is introduced. In chapter4, a coplanar waveguide resonant-type balanced CRLH transmission line structure based on SRR is presented,the structure was designed, simulated,

6、and manufactured, the mesured result agree with the simulated result. In chapter4, A brief review of CRLH and CSRR basic theories, a novel band-pass filter is proposed. Using the unique feature of the metamaterial, and the 上海交通大学硕士论文 VICSRR is also used, adapting a rectangular CSRR to improve transmission performance. The miniaturization is also realized. This filter is easy to manufacture and accord with the practical requirement of planar microwave circuits and devices. Key words: left-handed

7、materials, complementary split ring resonator, composite right/left-handed transmission line, zeroth-order resonator, miniaturization. 上海交通大学硕士论文 II上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：林丹艳 日期：2009 年 2 月 25 日 上海交通大学硕士论文 III上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入

8、有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：林丹艳 指导教师签名：周希朗 日期：2009 年 2 月 25 日 日期：2009 年 2 月 25 日 上海交通大学硕士论文 1第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 引言 1.1 引言 左手材料（left-handed materials, LHM）是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期结构材料，一般地，任何材料都具有两个物理参数，介电常数和磁导率，它们决定该材料与电磁辐射包括无线电波，微波，光，甚至 X 射线之间的相互作用。由于在其中传播电磁波的电场强度，磁场强度与波矢量满足左手定则，群速度与相速度方向相反，从而呈现出许多反常的物理光学现象，如负折射效应，反 Dopller 效应，完美透镜效应，逆 Cherenkov 辐射等。根据其性质，该种材料有时也被称为双负材料（double negative materials）,负折射率材料（negative refractive index mat

9、erials）,后向波材料（backward wave materials） 。为统一名称，本文称之为左手材料。 左手材料的概念最早是由前苏联科学家 Veselago 于 1968 年提出1，并对他进行了理论性的研究，但是由于自然界不存在这种性质特异的物质，因此，在近30 年内对其的研究几乎属于停滞状态。20 世纪 90 年代，受到光子晶体研究的启发，英国物理学家 Pendry 提出了分别实现负介电常数和负磁导率介质的理论模型， 重新开启了该领域的研究。 Pendry 等研究发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为极为相似2，可通过此方法获得介电常数为负的材料。 Pendry 又进一步研究表明按不同方式排列的导电分裂谐振环（split ring resonators,SRR） 的电磁响应行为与磁性材料相似， 尤其是该结构的磁导率在某一特定频率范围为负3。2000 年，UCSD 大学的 Smith 等人基于金属棒（ROD）和开口谐振环（SRR）的阵列结构制作出了世界上第一块人工左手材料4， 并对其微波电磁响应行为进行了实验研究， 首次证实了负折射现象的存在。该发现激起了研究左手材料的热潮，左手材料成为了科学界关注的焦点，各种新型左手材料结构不断涌现5-8。 本论文研究了基于开口谐振环（SRR）和互补开口谐振环（CSRR）的复合左右手结构，并运用于滤波器的设计，理论上和实验上都进行了研究，得到了一些有意义的结果。目前大都在微波波段实现左手特性，频率范围较窄。虽然左手材料的研究时间不长，但是许多材料供应商，无线设备商及电机厂商都十分关注这种新型材料。甚至有些厂商已经开始开发应用产品。采用它之后，产品完全可上海交通大学硕士论文 2以超越现有材料的某些特性限制9，而利用左手特性设计滤波器，也逐渐成为近年的热点。 1.1. 2 国内外研究现状及应用前景 2 国内外研究现状及应用前景 在自然界中，物质和一般都是与电磁波频率有关，并满足公式222 00rrk =。当和都为正数，此时方程有波动解，电磁波能在其中传播。对于无损耗，各向同性，均匀的介质，kr ,Er ,Hr 满足右手螺旋关系。如果介质的和一个为正数而一个为负数，则

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