人工微波媒質(zhì)的勻質(zhì)化及Non-Foster色散補(bǔ)償研究.pdf

1、人工微波媒質(zhì)的物理本質(zhì)是通過周期排列的亞波長諧振單元，利用其諧振特性將自然媒質(zhì)中的描述原子和電子極化的Drude-Lorentz色散模型從紫外(1 PHz)及以上頻段移至光、微波等較低頻段，從而獲得可以任意控制的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)奇異的電磁特性。當(dāng)前人工媒質(zhì)的應(yīng)用主要面臨著三個方面的挑戰(zhàn)，一是現(xiàn)有的組成人工媒質(zhì)的亞波長諧振單元其物理尺寸與對應(yīng)的自由空間的波長的比例僅為六分之一到十分之一，相對于傳統(tǒng)的自然媒質(zhì)來說，其均勻度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不

2、夠的。要保持人工媒質(zhì)的奇異特性不變，其最終的物理尺寸是非常大的，在有些場合明顯不適用；二是，人工媒質(zhì)的奇異特性均來源于電磁諧振產(chǎn)生的強(qiáng)色散特性，根據(jù)Kramers-Kronig關(guān)系，強(qiáng)的色散對應(yīng)的頻率范圍很窄，也就是說傳統(tǒng)的人工媒質(zhì)一般是工作在窄帶范圍內(nèi)，因此在寬頻的應(yīng)用場合，需要對色散進(jìn)行補(bǔ)償；三是人工媒質(zhì)的強(qiáng)色散必然伴隨著較大的損耗，這意味著接受的大部分能量會在傳輸中被消耗掉。因此在實(shí)際的應(yīng)用中，需要減小由于人工媒質(zhì)的損耗所帶來的能

3、量損失，一般可以在設(shè)計中引入有源器件，通過直流功率的注入，在保持奇異特性的同時，減小損耗，或者通過降低介質(zhì)基板的損耗來達(dá)到減小損耗的目的。
　　本研究提出了一種利用單層平面工藝的基于半波長傳輸線諧振器的深亞波長電磁諧振單元的構(gòu)造方法，并通過3 mil最小線寬的PCB工藝，提出了一種工作在1 GHz左右的具有負(fù)折射特性的負(fù)折射率媒質(zhì)的勻質(zhì)化設(shè)計方法并制成實(shí)物?；诘刃劫|(zhì)理論和矩形波導(dǎo)反算法，通過測量樣品的散射參數(shù)得到其等效介電常數(shù)

4、和磁導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度一致，均勻度從傳統(tǒng)的六分之一以內(nèi)提升到六十分之一。進(jìn)一步仿真表明，基于微米級的半導(dǎo)體工藝，均勻度可以提升到三百分之一甚至千分之一。為補(bǔ)償人工媒質(zhì)固有的強(qiáng)色散來構(gòu)造寬帶的人工媒質(zhì)，本文提出了一種基于Linwill開路穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的集成負(fù)阻抗（NIC）變換電路?；贕lobal Foundry180 nm的工藝庫，對電路的Non-Foster特性以及電源穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明，該電路可以在較寬的頻