电磁诱导透明的微波段结构实现及其应用研究

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随着无线通信系统不断演进,高速、高可靠性、高集成度、多功能和低成本的无线通信系统的研发需求日益增长。目前低频的微波频谱资源日益紧张,而在微波频谱的高频段,数字通信技术遭遇了成本剧增、整机功耗增加、数模转换性能下降和通信可靠性下降等问题。为此,加拿大蒙特利尔大学的Caloz教授创新性地提出了基于群时延复用的模拟信号处理技术,利用该技术有望发展成为除数字通信以外的一种新通信体制,而该技术的核心就是群时延调控。只是若要获得更高群时延性能,需要多个广义传输线单元级联,进而会导致插损增加、输入失配、结构尺寸过大等问题。电磁诱导透明效应理论的发展恰巧为群时延的大范围和高性能调控的实现提供了新的设计思路。电磁诱导透明效应最早是通过量子干涉效应在较宽的吸收谱线中产生透明谱线得到的。随后,许多科研学者们提出了利用经典的物理系统来模拟电磁诱导透明效应现象。电磁诱导透明效应的发展非常迅速,但是目前电磁诱导透明效应的多频段实现方式大多都是通过增加暗模结构的数量来实现,存在结构尺寸过大的缺陷,并且实现的电磁诱导透明效应通带大多数带宽都比较窄。另外,目前国内外的科研工作者们对于宽带电磁诱导透明效应和多模融合式电磁诱导透明效应的研究比较少,电磁诱导透明效应的性能仍有较大的提升空间。因此,本文以电磁诱导透明效应为研究课题,重点研究了电磁诱导透明效应的结构实现、电磁诱导透明效应的群时延调控和电磁诱导透明效应的应用。主要研究内容有:在电磁诱导透明效应的结构实现研究中,首先,分别采用周期结构、微带结构和矩形波导结构研究了微波段电磁诱导透明效应的单频带结构实现,为多频带电磁诱导透明效应的实现提供了有效的设计方法。其次,为了不增加结构的尺寸,采用在圆形金属铜环上刻蚀弧形槽的形式,实现了多频段电磁诱导透明效应,并且通过控制弧形槽的通断,为基于电磁诱导透明效应的编码设计提供了新的设计思路。最后,基于矩形波导结构加载E面介质基板的形式,将电诱导透明效应、磁诱导透明效应和Fano效应三种模式融合在一起,实现了三模式的电磁诱导透明效应,为宽频带电磁诱导透明效应的实现提供了理论支撑和新的设计方法。在电磁诱导透明效应的群时延调控研究中,首先,从等效电路模型分析出发,研究了基于电磁诱导透明效应的群时延调控方法的可行性。其次,分别采用周期结构、微带结构和矩形波导结构研究了微波段电磁诱导透明效应的群时延调控方式,为多模式群时延的调控和综合设计提供了有效的设计方法。最后,基于矩形波导结构加载E面介质基板的形式,综合设计出凹型群时延、凸型群时延和平坦型群时延等各种类型的群时延曲线,为群时延的调控提供了技术基础。在电磁诱导透明效应的应用研究中,首先,提出了一种基于周期结构的具有双传感功能的传感器,实现了介质介电常数和电容两种传感功能,该传感器结构紧凑,灵敏度高,并且在不同极化方向的电磁波入射下仍具有较好的工作能力。其次,基于微带结构提出了一种用于金属形变和裂纹检测的传感器,该传感器可以准确地定位金属结构发生形变或者出现裂纹的位置,为金属结构的健康监测提供了新的技术支持。最后,基于矩形波导结构研究了多模融合式的滤波器设计,通过将磁诱导透明效应和Fano效应融合,得到了“左单右双”型的可调双频带带通滤波器;将电诱导透明效应和磁诱导透明效应融合,得到了“左双右单”型的可调双频带带通滤波器;将电诱导透明效应、磁诱导透明效应和Fano效应融合,得到了三模带通滤波器。为矩形波导带通滤波器的设计提供了新的设计思路。本文主要介绍了电磁诱导透明效应的结构实现,研究了电磁诱导透明效应各个模式的群时延调控方式以及应用,为多模融合式电磁诱导透明效应的发展提供了理论依据和技术支持。
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