新型谐振式人工电磁介质的特性以及在天线设计中的应用(2)
4.1.3 短路探针的位置对天线辐射的影响 7
4.2 多层结构馈电 7
结 论 7
致 谢 7
参 考 文 献 7
1 引言
1.1 人工电磁介质的发展历史及其研究的科学意义
1968年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同[1]，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。
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，都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
新型人工电磁介质是由人工构造的在尺寸上要远小于波长的微观结构单元构成，可近似当作均匀材料，由等效的介电常数和磁导率来描述。新型人工电磁介质的典型代表是介电常数和磁导率均为负的双负介质，双负介质的折射率是负的，传播于其中的波的能量传播方向和相位传播方向相反，在双负介质和普通介质的界面上会出现负折射现象，在双负介质中存在如逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射等一些奇异现象[1]。新型人工电磁介质能实现自然界中所不存在的特殊现象，在微波频段已显示出了巨大的潜在应用价值，如实现具有亚波长分辨率的超级透镜[2]和隐身外壳[3-4]等。
谐振式双负人工电磁介质通常由微小金属结构单元构成，Pendry首次提出了周期性排列的开口环谐振结构(split ring resonators, SRRs),它通过同时激发电共振和磁共振获得负的介电常数和磁导率[5-8]。除了SRRs环结构之外，Itoh等人又提出了复合左右手结构，采用电容、电感加载的方法实现[9]。Falcone等人提出了互补开口环谐振器(Complementary split ring resonators, CSRRs)[10]，CSRRs是SRRs的互补结构，根据巴毕涅原理和对偶原理，CSRRs也可以产生负的介电常数。SRRs和CSRRs是谐振式人工电磁介质结构，基于同心圆之间的边缘电容效应发生谐振，在其后向波传输频段有传输零点，其尺寸和工作频率波长相比很小，一般情况下他们的尺寸是谐振波长的十分之一，是一类亚波长结构的谐振器[10]; 同时由于SRR和CSRR具有良好的品质因数，谐振特性中下降沿和上升沿陡峭，此外，SRR和CSRR都是平面结构，也为设计平面微波电路器件提供了另一种途径。这些优点也使得SRR和CSRR在微波方面的应用获得了巨大成功，在实现新型的传输线器件方面引人注目，广泛的应用于滤波器的带外抑制和高频率选择性方面 [11,12,13]以及小型化天线[14,15]。近年来，为了减小SRR和CSRR的尺寸，一些新型谐振式人工电磁介质结构被相继提出，比如多重开口环（multiple split ring resonators, MSRRs）结构、折线开口环（meander line split ring resonator,MLSRRs）结构、开路开口环谐振器（open split ring resonators, OSRRs）以及它们的互补结构相继被提出[16-19]。空间映射算法是比较设计法在电磁领域的常规应用之一，它采用粗糙模型作为替代模型去代替精确模型进行优化的设计方法[20-23]，可以快速准确的实现微波通信器件设计。目前，基于空间映射的谐振式人工电磁介质结构参数的综合设计的研究比较少，国际上只有文献[24]和[25]对基于SRRs的共面波导滤波器和微带线加载的CSRRs结构参数进行了空间映射优化设计，而新型的谐振式人工电磁介质多重开口环谐振器（MSRRs）、折线开口环谐振器（MLSRRs）、开路开口环谐振器（OSRRs）以及它们的互补结构，目前还没有利用空间映射优化法对其结构参数进行设计的论文报道。