左手媒質(zhì)微波空間濾波器特性和設(shè)計(jì)

首次提出一個(gè)用左手媒質(zhì)設(shè)計(jì)的微波空間濾波器。左手媒質(zhì)是一種人造媒質(zhì)，在某一微波波段內(nèi)其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值。利用左手媒質(zhì)的特殊性提出了一個(gè)設(shè)計(jì)空間帶通濾波器的方法，并給出一種頻率為9.9～10.1GHz的帶通濾波器設(shè)計(jì)。該濾波器具有用通常材料無法達(dá)到的優(yōu)異的特性。
關(guān) 鍵 詞 左手媒質(zhì); 有效介電常數(shù); 有效磁導(dǎo)率; 負(fù)折射指數(shù); 帶通濾波器

左手媒質(zhì)是2000年出現(xiàn)的一種人造媒質(zhì)[1~5]，它具有許多完全不同于普通媒質(zhì)的特殊性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)普通媒質(zhì)不能實(shí)現(xiàn)的某些性能。它一出現(xiàn)立即引起物理學(xué)家和工程師的極大興趣，其中微波透鏡是最關(guān)心的課題之一，因?yàn)槠浞直媛蔬h(yuǎn)超過目前應(yīng)用的光學(xué)透鏡，被稱為完全透鏡而受到科學(xué)界廣泛重視。但是左手媒質(zhì)對(duì)電磁波傳輸?shù)钠渌S多特殊的效應(yīng)還未得到深入地研究，本文提出了用左手媒質(zhì)設(shè)計(jì)的微波空間濾波器。
1 左手媒質(zhì)
左手媒質(zhì)是指其介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的媒質(zhì)，由Maxwell方程可得出，電磁波在其中傳播時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和波矢q之間存在左手螺旋關(guān)系，故稱為左手媒質(zhì)(Left Handed Media，LHM)或雙負(fù)媒質(zhì)(Double Negative Media，DNM)。圖1示出其電磁波矢與普通媒質(zhì)(也稱右手媒質(zhì))的根本區(qū)別。
自然界并不存在ε和μ同時(shí)為負(fù)的媒質(zhì)。金屬在光頻下為金屬等離子體，當(dāng)頻率小于等離子體頻率時(shí)，其有效介電常數(shù)。當(dāng)時(shí)，Pendry用金屬細(xì)線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了等離子體的媒質(zhì)ωpω0eff<εpωω<0eff<ε [1]；1999年P(guān)endry提出用開口金屬環(huán)諧振器SRR在微波頻段制造類似等離子體的磁性媒質(zhì)(磁等離子體)。圖2是SRR示意圖，圖3是細(xì)線結(jié)構(gòu)和SRR的隨effεω和隨effμω的變化曲線。和可以表示為effεeffμ[3,4]：