多频段左手材料及在小型化天线中的应用研究

【摘要】：左手材料是一种人工合成的电磁超材料,同时具有负的介电常数和负的磁导率,表现出一系列独特的电磁特性,在隐身、吸波、天线、微波器件、光学等诸多领域均获得广泛关注。然而,仅在一个频段上表现出双负特性的左手材料已经不能满足科学技术的发展需求,具有多频段和可调谐特性的左手材料成为了研究热点。针对这一现状,本文从等效负介电常数和等效负磁导率的产生机理出发,借助等效电路分析法、全波仿真分析法和S参数反演法,围绕多频段左手材料的设计及其在小型化天线中的应用展开研究,主要内容概括如下:1、针对设计多频段左手材料增加频段难的问题,提出了基于单元间耦合增加新的磁谐振的多频段左手材料设计方法,设计了一个双频段左手材料。首先设计一个单频段磁负超材料,然后利用金属短线将相邻的磁负超材料单元相连,引入新的磁谐振;再通过与金属线阵的组合实现了双频段左手材料的设计。利用等效电路分析法详细分析了单元间耦合的磁谐振特性,结合全波仿真和S参数反演分析,验证了该左手材料的双频段双负特性,证实了所提方法的有效性。研究了基于基板间耦合引入新磁谐振的多频段左手材料设计方法,设计了一个三频段左手材料。首先设计了一个单频段的单面双T形结构左手材料,再将该双T形结构复制到基板另一侧并中心旋转90度,实现了三频段左手材料的设计。利用等效电路分析法详细分析了基板间耦合的磁谐振特性,结合全波仿真和S参数反演分析,验证了所设计的左手材料的三频段双负特性。2、针对多频段可调谐左手材料基本单元少、设计难的问题,提出了一种由可变电容加载的共面金属短线对构成的可调谐左手材料基本单元。通过对金属开口谐振环基本单元产生负磁导率机理的理论分析,得出负磁导率的产生与结构形状无关,结合金属短线对左手材料的分析,设计了可调谐左手材料基本单元。理论分析和仿真研究表明,该基本单元表现出宽频带等效负介电常数和可调谐等效负磁导率的特性,且结构简单,实现方便。将该基本单元与双开口金属谐振环组合,设计了一个双频段可调谐左手材料;与环形单回路谐振器组合,设计了一个三频段可调谐左手材料。通过对所设计的双频段及三频段可调谐左手材料的全波仿真和S参数反演分析,及三频段左手材料的加工测试,表明所设计的双频段及三频段可调谐左手材料具有双负可调谐特性,证实了可调谐左手材料基本单元的有效性,可有效地降低多频段可调谐左手材料的设计难度。3、提出了一种左手材料单元复用的多频段左手材料加载天线小型化设计的新方法,在利用左手材料单元改善天线性能的同时,又将左手材料单元本身在另一个频段上作为辐射单元使用,在不改变左手材料天线结构的情况下,增加了一个天线的辐射频段,从而为多频段左手材料加载天线小型化设计带来方便。设计了两款基于左手材料的小型化三频段WLAN/WiMAX天线。第一款天线由单频段左手材料和T型天线组成,其几何的尺寸仅为22mm×13mm×1mm。对该天线的全波仿真分析和辐射特性研究证明其基本满足WLAN/WiMAX的设计要求,并没有完全覆盖WLAN/WiMAX的频段。第二款天线由一个G型单极子天线包围基于基板间耦合多频段的左手材料单元构成,其几何尺寸仅为24mm×18mm×1mm。利用全波仿真软件仿真并加工测试了所设计的天线,详细分析了各个频段的产生机理。研究结果表明,该天线具有很好的辐射特性,满足WLAN/WiMAX的设计要求。与近几年报导的性能相近的小型化WLAN/WiMAX天线相比,本文所设计的天线的尺寸最小。该设计也证实了本文提出的左手材料单元复用设计方法的有效性和先进性。