【摘要】：隨著集成系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對非互易器件提出了更高的要求,如小型化、集成化、低插損等。近年來,人們發(fā)現(xiàn)在外加偏置磁場下,旋磁介質(zhì)表面對電磁波具有單向傳輸特性,該發(fā)現(xiàn)為研究單向電磁波的傳播問題提供了一個新的視角。本文首先給出了外加磁場下旋磁介質(zhì)張量磁導率的推導,并分析了其時間反演對稱性破缺的原因,該時間反演對稱性破缺將使得旋磁光子晶體邊緣處存在具有單向傳輸特性的手性邊緣態(tài)(Chiral Edge States),以下簡稱CESs;進而,基于旋磁光子晶體設(shè)計了單向光子晶體波導結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在11.7GHz-12.3GHz范圍內(nèi)有明顯的單向傳輸特性。為避免光子晶體結(jié)構(gòu)周期性帶來的體積較大、損耗較大問題,本文對旋磁介質(zhì)的磁表面等離激元態(tài)(Magnetic Surface Plasmon States)開展了深入的研究,以下簡稱MSPs。通過在Maxwell方程中引入外加磁場下旋磁介質(zhì)的張量磁導率,推導了旋磁介質(zhì)的體模和表面模色散曲線,證明了在旋磁介質(zhì)和空氣接觸的邊界處可支持特定頻段的電磁波單向傳輸。在上述研究的基礎(chǔ)上,以旋磁介質(zhì)作為平板波導的邊界,實現(xiàn)了 7.5GHz～9GHz范圍內(nèi)電磁波的單向傳輸;同時,針對平板波導難集成等問題,本文提出了一種新型的單向基片集成波導結(jié)構(gòu)(Substrate integrated waveguide),仿真及實驗結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在6.9GHz-7.5GHz范圍內(nèi)具有顯著的單向傳輸特性。為了進一步降低插損,本文基于MSPs和耦合模理論,提出了一種全新的緊湊低損單向傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法;基于該方法,設(shè)計了一種由微帶傳輸線和單向旋磁介質(zhì)環(huán)構(gòu)成的單向傳輸結(jié)構(gòu),仿真以及實驗結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)可以在10.1GHz～11.2GHz范圍內(nèi)具有非常好的正向傳輸特性以及反向隔離特性;在此基礎(chǔ)上,本文對該單向微帶傳輸結(jié)構(gòu)的寬帶特性進行研究,采用串聯(lián)級聯(lián)形式獲得了寬帶單向傳輸結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在9.8GHz～12.2GHz范圍內(nèi)具有較好的單向?qū)ㄌ匦�。最�?基于MSPs原理,本文首次提出了低頻超薄吸波結(jié)構(gòu)。通過打破旋磁介質(zhì)的時間反演對稱性,使得入射的平面電磁波在吸波結(jié)構(gòu)表面完全轉(zhuǎn)換為表面波,該表面波沿旋磁介質(zhì)表面單向傳輸,表現(xiàn)出較好的吸波特性。最后,作為實例,設(shè)計了一種厚度為2.5mm的吸波材料,仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在0.59GHz～0.64GHz范圍內(nèi)具有極好的吸波特性。在此基礎(chǔ),通過組合形式設(shè)計了一種寬帶低頻超薄吸波結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在0.51GHz～0.64GHz頻段內(nèi),具有較好的吸波性能。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN811;TN011.4
【圖文】：

Ａｏ等人進一步研究了蜂窩晶格的磁性光子晶體的單向傳播特性逡逑１５］，并在理論上證明了電磁波在該光子晶體表面的傳播具有自導特性，無需其逡逑結(jié)構(gòu)在界面的輔助，如圖１．３所示。２０１０年，Ｈｅ等人基于單向波導構(gòu)造了一逡逑可調(diào)功分器［１６］，實現(xiàn)了單刀雙擲開關(guān)的功能，如圖１．４所示。２０１１年，Ｐｏｏ邋Ｙ逡逑人利用旋磁介質(zhì)構(gòu)造了蜂窩晶格的旋磁光子晶體，實現(xiàn)了電磁波在該晶體表面逡逑單向傳播［１７］，如圖１．５所示。２０１１年，中科院的付金鑫等人用普通的光子晶逡逑和旋磁光子晶體構(gòu)建了光子波導結(jié)構(gòu)，通過在旋磁光子晶體邊緣構(gòu)建微諧振腔，逡逑現(xiàn)了單向帶阻濾波功能［１８］，如圖１．６所示。綜上，近年來有關(guān)光子晶體單向逡逑播特性的研宄主要集中在理論及其驗證工作上，鮮少有人從實際應用的角度來逡逑計光子晶體非互易結(jié)構(gòu)，本文認為其原因在于：逡逑、若微波非互易器件采用光子晶體結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的周期性排布要求，器件尺逡逑將會非常大。逡逑、由于旋磁介質(zhì)光波頻段的非互易性較弱，目前還無有效的方法，實現(xiàn)利用其逡逑造可用的光通信器件，。逡逑、就目前調(diào)研得到的研究成果來看，單向光子晶體結(jié)構(gòu)的隔離度可以超過５０ｄＢ，逡逑

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本文編號：2723374