基于左手材料的定向耦合器技术研究微波集成电路论文(25页).doc
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1、-基于左手材料的定向耦合器技术研究微波集成电路论文-第 24 页微 波 集 成 电 路期 末 报 告 题目:基于左手材料的定向耦合器技术研究毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关
2、于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。作者签
3、名: 日期: 年 月 日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 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入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。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日目录1.前言32.左手材料的介绍42.1逆多普勒效应42.2负折射率现象42.3 逆Goos-Hanchen位移效应52.4逆Cerenkov辐射效应63.左手材料的发展73.1左手材料的概念起源于理论研究7
4、3.2新世纪初左手材料问世引起瞩目73.3国内研制单一结构同时实现“双负”84.微波四端口元器件104.1多端口微波器件简述104.2无耗可逆四端口网络的基本性质104.3定向耦合器基本概念114.3.1定向耦合器的简单机理114.3.2对称理想定向耦合器的散射矩阵125.技术路线155.1定向耦合器的主要技术指标155.2耦合度C155.3隔离度I155.4带宽的各种定义166.利用Ansoft HFSS 设计环形定向耦合器176.1设计要求176.2仿真过程176.3测试结果与数据分析236.4结论237.左手材料应用展望24参考文献251.前言 本人的论文题目是基于左手材料的定向耦合器技
5、术研究。定向耦合器是一种通用的微波、毫米波部件,可用于信号的隔离、分离和混合,如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。随着航空和航天技术的发展,要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠,于是出现了带状线和微带线。随后由于微波电路与系统的需要又相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。这样就出现了各种传输线定向耦合器。微波的传统应用是雷达和通信,这是微波作为信息载体的应用。现在雷达大多数是微波雷达,利用微波工作的雷达可以使用尺寸较小的天线,来获得很窄的波束宽度,以获取关于被测目标性质的更多的信息。由
6、于微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点,所以也被广泛应用于各种通信业务。第一个真正意义上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年设计实现,Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合,遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。本文研究了微波网络散射矩阵的计算,利用仿真软件Ansoft HFSS设计环形混合电桥,进而很好的理解和掌握微波集成传输线的传输特性、微波元器件的端口特性、耦合器的参数等相关内容。经过20多年的发展,HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作界面,稳定成熟的自适应网络剖分技术使其成为高频结构设计的
7、首选工具和行业标准,已经广泛的应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域,帮助工程师们高效的设计各种高频结构,包括:射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩,高速互连结构、电真空器件,研究目标特性和系统部件的电磁兼容电磁干扰特性,从而降低设计成本,减少设计周期,增强竞争力。2.左手材料的介绍2.1逆多普勒效应在左手材料中所观测到的频率变化与常规介质中的效应相反。在常规介质中,当观察者向波源运动时,观察者所测到的频率要高于波源振动的频率,这就是多普勒效应;假设均匀各向同性的左手介质中,一个波源辐射角频率为的电磁波,它以速度向着一个探测器运动,探测器所接收到的电波的角频率为 (2-1)式中
8、,n为左手媒质的折射率,如果n=-1,则 (2-2)当目标向着波源运动时,反射波的频率将降低,这与通常媒质相反,被称为逆多普勒效应。逆多普勒效应有着广泛的应用前景,可用于制备小型化、价格便宜、产生千兆赫高频电磁脉冲的装置。世界各地的研究人员正在研究用于材料非破坏性实验的高频系统,但传统千兆赫电磁波发生器不仅笨重、成品高昂,且产生的频宽较窄。左手材料的逆多普勒效应有望对该领域产生革命性的影响。2.2负折射率现象在自然物质中,折射光线总是与入射光线分别位于法线的两侧,但当电磁波经过正常材料与左手材料分界面的时候,就会有令人吃惊的现象发生。电磁波从介质1射向介质2在界面处要满足maxwell方程的边
9、界条件: (2-3) (2-4) (2-5) (2-6)其中t代表切向分量,n代表法相分量。由折射定律 (2-7)可知,当介质1是正常材料,而2是左手材料时,即 (2-8)时,界面上的EH的平行分量的方向是一致的,而垂直分量的方向却反了过来,再加上在介质2内k,E,H三者遵守左手定律,因而在界面上就会发生反常的折射:折射光与入射光出现在界面法线的同一侧。于是定义左手材料的折射率为负值 (2-9)因此左手材料又被称为“负折射率”。2.3逆Goos-Hanchen位移效应电磁波从光密媒质入射到光疏媒质时,当入射角等于布儒斯特角时,即 (2-10)将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将沿入射光
10、波波矢量的平行分量发生侧向位移现象,这一现象最早由牛顿提出,并由Goos和Hanchen在实验上得到验证,因此命名为Goos-Hanchen位移。但如果介质2为左手材料时,且|n2|gO9j 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,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Valen
11、tine 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严重制约了光波段LHM的进一步发展。3.3 国内研制单一结构同时实现“双负”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”?国内研究者进行了尝试。已经报道的有浙江大学的“S”形 ,复旦大学的“工”形 ,西北工业大学的“H”形等。2008年6月,西安交通大学采用一种“巨”字形结构3,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
12、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3-2所示。图3-2 氧化铝底板测试样品2008年8月,西北工业大学理学院赵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。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,赵晓鹏研究组制备出蓝光波段左手材料。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
13、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。 4. 微波四端口元器件4.1多端口微波器件简述任何一个微波系统都是由很多功能不同的微波器件和有源电路组成,微波器件在系统中起着微波能量的定向传输、分配、衰减、储存、隔离、滤波、相位控制、波形转换、阻抗匹配与变换的作用。微波器件的种类繁多,按导行系统结构分类,可分为波导型、同轴线型、微带线型等;按工作波形分类,可分为单模元件和多模元件;按功能分类,分为:匹配元件、连接元件、定向耦合元件、滤波元件、衰减与相移元件
14、、谐振器等。按端口的数目分为单端口、双端口、n端口器件。如按网络特性分类,则分为:线性与非线性网络、互易与非互易网络、有耗与无耗网络、对称与非对称网络。与低频电路的设计不同,微波系统无论有源还是无源,都必须考虑阻抗匹配问题,阻抗匹配网络是设计微波电路与系统时采用最多的电路元件。这主要是由于微波电路传输的事电磁波而不是低频电路的电压和电流。如不匹配,将会引起反射,造成传输能量的损失。本文研究的是微波多端口器件,它们在微波传输系统中有多个端口与传输线或其他器件相连,如果器件不匹配,在接头处会引起不同程度的反射,造成传输能量的损耗,使器件性能变差。所以,匹配的性能良好的微波器件是所追求的目标。传统制
15、作微波器件方法是手工计算与实验调整相结合。但由于微波器件本身就有很多没有或者无法细致考虑的因素,因此,设计微波器件的主要难点是在进行多次计算优化设计的基础上,还要经行大量细致的调试工作。因为微波工作频率高,元件尺寸小,尺寸稍有偏差,微波器件性能就可能发生很大的变化。当然调试优化工作可以由仿真软件协助完成。微波系统的设计越来越复杂,对电路的性能要求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸要求越做越小,而设计周期越来越短,传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要,使用微波EDA软件进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。4.2无耗可逆四端口网络的基本性质(1)无耗可逆四端口网
16、络可以完全匹配,且为一个理想定向耦合器。(2)有理想定向性的无耗可逆四端口网络不一定四个端口均匹配,故四个端口匹配时定向耦合器的充分条件,而不是必要条件。(3)有两个端口匹配且互易隔离的无耗可逆四端口电路必为一个理想的定向耦合器。4.3定向耦合器基本概念定向耦合器是微波系统中应用最广泛的元件:它是一种具有方向性功率分配器。它的结构形式是多种多样的,它用于提取波导系统中的部分能量以便监视该系统的功率、频率和匹配情况,或观察脉冲形状和比较相位,或用在微波鉴频器中以稳定微波源,有时在微波接受系统中,用以向微波系统引入本机震荡能量。定向耦合器的种类繁多,结构迥异,分析方法也不尽相同,按传输线类型分,有
17、波导定向耦合器、同轴线定向耦合器、带状线或微带定向耦合器等;按耦合输出方向分,有同向定向耦合器和方向定向耦合器等;按耦合强弱分,有强耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器等。尽管如此,所有类型的定向耦合器都有共通的特性:当其中一端口有微波能输入时,其余三端口之一应无输出。定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。在无内负载时,定向耦合器往往是一四端口网络。定向耦合器常有两种方法实现,一为耦合定向耦合器,其耦合区长度为四分之一的整数倍,其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻,输出相位差往往是90度或180度,剩余的一个端口称为隔离端,理论上隔离端不输出任何能量。另一种为分支线定向耦合器,两输出端口结
18、构上相邻,输出相位差也可以实现90度或180度,常用语强耦合场合。参数说明:耦合度:当其余端口接匹配负载时,耦合端输出功率与主线输入功率之比。耦合损耗:由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小,它等于主线插入损耗的理论值。主线损耗:当匹配负载接主线外各端口时,主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。方向性:当功率在指定方向上传输时,耦合端口的输出功率与同样功率在相反方向传输时同一耦合端口的输出功率之差。同样,在耦合器上标注的功率是指输入端口的最大输入功率,输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定。4.3.1定向耦合器的简单机
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- 基于 左手 材料 定向耦合器 技术研究 微波集成电路 论文 25
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