基于圆形开口环谐振器左手材料的负参数实验反演方法及其应用

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）208基于圆形开口环谐振器（CSRR）左手材料的负参数“介电常数和磁导率”的实验反演莫阿塔扎河作者：Hindya， Ragab M.ElSagheerb， M.S. Yasseenc，电子研究所，Eltahrir街，天气-开罗，埃及b埃及开罗纳赛尔城爱资哈尔大学电气工程系c埃及基纳爱资哈尔大学工程学院电气工程系。接收日期：2017年1月22日;接受日期：2017年2017年5月31日在线发布摘要本文提出了一种基于圆形开口环谐振器左手材料（LHM）的负介电常数和负磁导率的仿真和实验反演方法。左手介质结构由位于介质衬底一侧的五个环形开口环谐振器和位于介质衬底另一侧的一组线对组成。利用CST MicrowaveStudio对左手材料结构进行建模，计算出散射参数（S11和S21），由此可以得到复介电常数、复磁导率和复折射率。利用MATLAB对得到的结构参数负值进行了验证制作了电路并进行了测量。实验结果与模拟结果吻合较好。© 2017 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：开口环谐振器;左手材料;负阻抗;负介电常数;负磁导率;负折射率1. 介绍超材料是一种人工材料，在科学、技术和医学领域有着广泛的应用前景，近年来受到越来越多的关注所有的材料都可以用它们的复介电常数（ε）和复磁导率（μ）在频域中进行电学描述这些参数可以确定材料对电磁（EM）辐射的响应。在制造过程中，由于不可预测性，找到材料参数的唯一方法是测量它们。60多年来，超材料的概念表明，*通讯作者。电子邮件地址：msabry 2003@yahoo.com，myasseen@azhar.edu.eg（M.S.Yasseen）。电子研究所（ERI）负责同行评审。https://doi.org/10.1016/j.jesit.2017.05.0042314-7172/© 2017电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。M.A. Hindy等人/电气系统与信息技术学报5（2018）208209表1圆形开口环谐振器参数值参数值单元LS24mmWS24mmR13mmR25mmR37mmR49mmR511mmWR1mmG1mmLW22mmWW1mmHW4mm负磁导率和介电常数，引起了很多兴趣。这些材料也被称为左手材料（LHM）。（LHMs）是一种具有自然界中没有的电磁特性的人造材料。MTM首先由俄罗斯科学家Veselago发现，但直到几十年后才进行实验验证（Veselago，1968）。 许多最近的论文已经揭示了导致负磁导率、电容率和折射率的超材料的实用性（ Kobarn 等 人 ， 1998; Pendry ， 2000; Pendry 等 人 ， 1999; Smith 和 Kroll ， 2000; Shelby 等 人 ，2001a;GrbicandEleftheriades，2002;Ziolkowski，2001）. 加州大学圣地亚哥分校的研究小组遵循Pendry（2000）和Pendry等人的工作。（1999，1996）在2000年，并证明了第一个左手材料（Smith等人，2000;Shelby等人，2001年b）。这种左手超材料分别利用了介电常数为负、导磁电阻为负、导磁电阻为负的单元阵列和导磁电阻为负的导线阵列。为了实现负磁导率和介电常数，在介电基板FR 4的顶侧上使用圆形开口环谐振器，而在背侧上使用一对导线。从该结构SRR给出负介电常数，而背面的导线给出负磁导率，并且负折射率也从结构本身进行 LHM结构已经在CST Microwave Studio 2012软件中模拟，并且提取散射参数（S11和S21）以使用直接检索方法计算介电常数、磁导率和折射率的负值（Smith等人，2005; Zhou等人，2009; Mallik等人， 2013年）。LHM在微波工程中有很多应用（Lapine和Tretyakov，2007）。对于左手材料，我们感兴趣的是它们对电磁场的反应LHM最重要的应用是用作衬底或覆盖层以改善天线的方向性和增益（Attia等人，2009;Jin等人，2012;Garg和Singhal，2012）。LHM的其他应用是MTM隐身。LHM最吸引人的概念是完美的镜头和近场成像（Lapine和Tretyakov，2007）。2. 方法LHM结构的设计组合了五个圆形开口环谐振器，这些谐振器具有不同的半径（R1-R5）但具有相同的宽度（W F），并且在衬底的一侧上具有在基板的另一面上印刷有五条长度和宽度相同的矩形导线。所使用的基板是具有4.3的介电常数和1mm的厚度的左手材料的结构前视图（圆形SRR）和后视图（导线）如图所示。 1（a）&b）。圆形开口环谐振器、导线和衬底的参数总结在表1中。已经使用了各种方法来从S参数的模拟复值获得负的介电常数和磁导率。Nicolson-Ross-Weir（NRW）方法是找到介电常数和磁导率的负值的极端精细方法之一（Vicente等人，2011;dePaula等人，2011;Luukkonen等人，2011;Ziolkowski，2003）。使用洛伦兹模型和德 鲁 德 模 型 的 其 他 方 法 对 负 介 电 常 数 和 磁 导 率 做 出 了 一 些 假 设 （ Mallik 等 人 ， 2013 年 ;Engheta 和Ziolkowski，2006年）。在这些和所有其他方式之间，在这项工作中使用了更适当和直接的直接检索方法（Smith等人， 2005年）。210M.A. Hindy等人/电气系统与信息技术学报5（2018）208图1.一、（a）圆形SRR顶视图，（b）导线后视图。图二.两个波导端口之间的LHM结构。M.A. Hindy等人/电气系统与信息技术学报5（2018）208211图三.制造的左手材料电池的照片。见图4。 模拟并测量了S11和S21参数.212M.A. Hindy等人/电气系统与信息技术学报5（2018）208图五.模拟和测量磁导率与频率（GHz）的关系。见图6。模拟和测量的介电常数与频率，GHz。所建议的LHM模型被放置在X轴左右的两个波导端口之间。从正X轴（端口1）向负X轴（端口2）激发波，以计算复数S11（端口1在1处的反射）和复数S21（端口2处由于1的透射）参数。Y平面被定义为完美电边界（PEB），而Z平面被定义为完美磁边界（PMB）。两个波导端口之间的模拟LHM超材料结构如图所示。 二、利用CST微波工作室的T/R方法，可以从相应的结构中得到S参数 将散射参数（S11和S21）导出到MATLAB以使用以下等式（Smith等人， 2005年）：μ=nz（1）和ε=n/z（2）M.A. Hindy等人/电气系统与信息技术学报5（2018）208213.（1+S11）2−S2-S 21见图7。负阻抗与频率（GHz）的关系。哪里n=1cos−1<$1（1 −S2+S2）（3）KD和2S2111 2121（1−S11）22（四）3. 模拟和实验结果讨论图图3示出了改进的制造的圆形LHM电池的照片。俯视图显示了圆形SRR，后视图显示了导线。散射参数是提取负介电常数和负磁导率的关键复散射参数S11和S21是从CST微波工作室中提取的。如图4所示的模拟和测量的散射参数S11和S21显示出良好的一致性。该结构在给定的频率范围内谐振。将模拟和测量的S11和S21参数输出到MATLAB中，并使用直接恢复方法的早期方程，获得负磁导率和介电常数与频率的关系，如图1和图2所示。分别为5和6。这些图给出了周期性结构的负行为的确认结果，模拟和测量的负磁导率和介电常数显示出良好的一致性。负阻抗和折射率也使用如图1A和1B中所示的相同的直接检索方法从MATLAB软件提取。分别为7和8。模拟和测量的负阻抗和折射率显示出良好的一致性。在给定的频率范围内，这些图显示了阻抗和折射率的负值。4. 结论所设计和制作的结构已成功量产。该结构使用标准PCB制造来制造。磁导率、介电常数、阻抗和折射率的负值是使用MATLAB从透射反射（T/R）方法使用直接检索技术从模拟和测量的S11和S21产生的。实验结果与模拟结果吻合较好在不同的工作频率（3.8-5.2 GHz）下获得负参数模拟和制作的结构在3.8 GHz到5.2GHz的频率范围内同时具有负磁导率和负介电常数，这给出了左手特性。左手材料结构z=214M.A. Hindy等人/电气系统与信息技术学报5（2018）208见图8。负折射率与频率（GHz）的关系。在这项工作中，负折射率可以增强天线在特定频率范围该结构可广泛应用于不同天线参数的增强引用阿提亚，H.，尤瑟菲湖Bait-Suwailam，M.M.，Boybay，MS，拉玛希，我的天，2009. 利用工程磁覆层增强增益微带天线。IEEE标准普罗帕格Lett. 8，1198-1201.Engheta，N.，Ziolkowski，R.W.，2006年。超材料：物理与工程探索。 约翰·威尔父子&公司。Garg，B.，Singhal，P.k，2012.采用“裂环”形超材料结构的小型微带贴片天线的设计与表征。Int.J.Electr. 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