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人工电磁材料(MTMs)是指人工合成的复合媒质,它具有天然物质所不具备的电磁特性,例如介电常数ε和磁导率μ同时为负值的材料(即左手材料--LHMTMs)就是典型的人工电磁材料。MTMs突破了传统电磁学理论的一些重要概念,表现出许多全新的物理特性。继2001年由开口谐振环(SRRs)和金属条(Rods)合成第一块人工左手材料后,2002年又有研究人员提出了左手材料的传输线(TL)实现方法。与谐振环结构相比,传输线结构人工电磁材料(TL MTMs)具有轻便、易设计、损耗低、色散适度、频带较宽的优势,并且其平面结构容易和电路结合。本文深入研究了TL MTMs的电磁特性分析方法以及TL MTMs在微波电路和电磁隐身方面的应用。论文主要有以下的创新工作:
一、提出一种二维TL MTMs分析方法--基于传输线网络的媒质参数确定法。该方法基于传输线网络转移参量,对于媒质本构参数张量在一定坐标系中呈对角矩阵形式的情况,可以直接从传输线方程和相应坐标系下的麦克斯韦方程推导出传输线参数和媒质参数各个分量的直接对应关系。利用这种一一对应关系不仅可以分析已知结构的电磁特性；而且可以反过来,对于给定的媒质参数分布,设计对应的MTMs结构。这种方法对于二维各向异性TL MTMs的分析具有很大优势,当然也适合各向同性结构的分析。
二、在分析左手传输线(LH TL)以及复合左右手传输线(CRLH TL)色散特性的基础上,利用CRLH TL独特的非线性相位特性,设计三种双频微波元件:
(1)工作于任意双频的分支线定向耦合器(BLC)。给出工作在GSM两个频段的双频分支线定向耦合器的设计示例,该BLC尺寸比前人的设计有较大缩减。
(2)工作于任意双频的带通滤波器(BPF)。给出在1.47GHz和2.3GHz的双频带通滤波器的设计示例,该双频BPF从端口1到端口2的长度约为14cm,比传统的单频工作在1.47GHz的半波长谐振BPF更为紧凑。
(3)工作于任意双频的级联功分器。给出在1.1GHz和2.46GHz的一端输入、三端输出的双频级联功分器的设计示例,该双频功分器不仅可以灵活实现任意双频,各个端口输出功率接近,相互间隔离度良好,同时能保持相对紧凑的整体尺寸。
三、利用TL MTMs提出了一种全参数、宽频带的二维电磁隐身衣的设计方案。通过仿真和实验分析了该隐身衣的频域稳态特性以及宽带脉冲激励下的时域瞬态特性。结果表明:对于较宽频带的入射电磁波,该隐身衣可以大大降低目标物体沿所有方向的散射截面,达到有效隐藏内部物体的目的。
该方法是在变换光学框架下,国内外首次实现全参数媒质分布的隐身材料设计。
四、基于高阻抗表面(HIS)完成电磁波垂直入射情况下X波段Engheta结构的吸收表面设计。制备了多块HIS材料板以及Engheta结构的吸收表面,并对其用远场法和紧缩场法分别进行测量。结果表明:谐振频率附近Engheta结构吸收面的反射信号比同样尺寸的金属面至少弱10dB。