21世纪初左手介质、负折射介质的研究对从事电磁场理论和微波技术研究的人无疑是值得关注的大事,继而出现的传输线结构左手介质更是让我们感到应该做些工作。这是基于这样的认识:传输线结构左手介质与研究初期提出的基于金属谐振结构(周期性排列的金属杆和金属开口谐振环)的左手介质相比,更容易实现,并且具有频带宽和损耗低等优点。而且,具有左手特性的传输线平面结构容易与微波平面电路结合,方便微波应用。另外,还有成熟的传输线理论可作为研究的基础。几年的研究、实践使我们更加体会到,微波传输线平面结构在异向介质的理论发展、介质实现、微波应用等方面都表现出有特有的优势,并且还存在很大的发展空间。由于能力、水平有限,本书不准备对微波传输线平面结构异向介质作系统、全面的介绍,而仅以我们的研究工作为线索,介绍与研究工作相关的微波异向介质平面电路实现的有关问题及在微波电路和电磁隐身中的应用。
本书第1章简要介绍异向介质研究近年的发展。异向介质在引起关注的十几年里得到了迅猛的发展,但还远不够形成完整系统的学科体系。人们对异向介质本质的认识在近十几年中不断深化,从“左手介质”到“控制电磁波传播”的人工电磁材料,异向介质的概念、范畴也在发展、进步。第2章介绍左手介质的电磁特性。左手介质表现出许多“反常”特性,如频率色散特性、逆多普勒效应、逆Vavilov-Cerenkov辐射、负折射(逆Snell定律)、逆Goos-Hänchen位移和超分辨率成像等。这里从微波及电磁场关心的问题的角度,介绍对其中一些所作的研究和对某些问题的理解,如左手介质中辐射场的内向波,色散对左手介质多普勒频移的影响和有耗左手材料平板的成像分辨率等。还包括早期左手介质负折射实验的介绍,工作中自制的实验设备、编写的计算仿真程序也许能对读者有所帮助。
本书以介绍微波异向介质的平面电路实现及应用为主要内容。异向介质的平面电路实现有两种主要方法:基于L-C网络的传输线结构和基于开口谐振环和互补开口谐振环的平面结构,它们分别在3~6章作介绍。最后,第7章是电磁隐身及其传输线结构实现的一些研究工作。
第3章介绍L-C网络左手传输线结构及分析方法,从一维到二维。包括作者提出的单元结构四端口网络参数分析法,及一种新型平面左手结构及特性分析的介绍。第4章介绍了L-C网络左手传输线的微波应用。左手传输线在微波器件中的广泛应用很难在一章的篇幅内全面介绍,这里主要以我们的研制工作为线索,介绍一些基本应用:如,Engheta超薄谐振腔的传输线实现,零阶谐振器及共面波导滤波器应用,以Wilkinson功分器为例介绍可工作于任意双频的复合左右手传输线方法,以及基于左手传输线的压控波束扫描微带漏波天线的研制。
第5章介绍基于开口谐振环和互补开口谐振环的平面结构。开口谐振环(SRRs)和互补开口谐振环结构(CSRRs)加载到微波平面电路,可实现平面负磁导、负介电结构或平面左手结构。主要内容有:加载开口谐振环(SRRs)和互补开口谐振环结构(CSRRs)的平面结构的电路特性、等效电路模型,SRRs的双各向异性特性及CSRRs的交叉极化特性;特别讨论了CSRRs微带线等效电路中负电容的合理性及负等效介电常数特性,等一些基础问题的研究。第6章介绍开口谐振环(SRRs)和互补开口谐振环(CSRRs)微波电路应用。同第4章一样,内容仍以我们的研究工作为线索介绍一些基本的应用,如SRRs结构用于滤波器的伪通带抑制,可调谐带阻滤波器;SRRs的耦合特性研究的介绍;基于SRRs耦合谐振的新型双工器,基于CSRRs的微带带阻和高通滤波器、低通滤波器、窄带带通滤波器的介绍。基于SRRs耦合谐振的低相噪压控振荡器,基于CSRRs耦合谐振的基片波导滤波器,基于CSRRs的双频支线耦合器等一些典型应用也在第6章中作了简单介绍。
第7章的内容是关于电磁隐身及其传输线结构实现的实验研究工作。介绍了基于变换光学的电磁隐身衣原理及对二维椭圆电磁隐身衣的研究,应用变换光学实现二维任意形状电磁隐身衣的理论研究,首次应用基于二维传输线各向异性人工电磁材料,实现二维全参数、宽频带圆柱隐身的实验研究。光学折叠变换实现电磁隐身是异向介质隐身研究的最新发展,将变换光学和补偿介质结合起来可用于设计一系列幻觉光学器件,如超散射体、超吸收体、远程隐形衣和隐形通道等。目前,幻觉光学器件还只局限于理论分析和数值仿真。本章最后介绍利用传输线结构人工电磁材料,设计二维“隐形通道”原型实验装置,首次进行幻觉光学实验的研究工作。
书中有关我们的研究工作尽可能给出有关的资料,介绍他人的工作均给了文献出处,以便读者参考。本书不是关于传输线结构异向介质全面、系统的著作,建议有兴趣深入该领域的读者参考阅读以下两本专著:“Electro magnetic Metamaterials: Transmission Line: Theory and Microwave Applica tions” [113] 和“Metamaterials with Negative Parameters:Theory,Design,and Mi crowave Applications” [133]