超材料特性分析及在天线中的应用

【摘要】：超材料结构自出现以来,便表现出诸多奇异的电磁特性,包括后向波特性,逆多普勒效应,完美透镜效应等等。超材料结构广泛应用于微波器件以及各种天线设计中。随着军事的发展以及生活质量的不断提高,对于微带天线技术的要求也越来越高,尤其对小型化天线的需求比重越来越大。通过多年的研究和发现,各国研究人员找到许多办法来减小传统微带天线的尺寸大小,诸多方法虽然可以在一定程度上减小传统微带贴片天线的尺寸,但却会影响其他辐射性质。当前,超材料结构虽然广泛应用于天线设计中,但是在天线结构的小型化改善中的应用潜力还没有得到充分发挥。本文设计了一款基于超材料结构的小型化微带天线,并且研究了超材料结构对天线其他性能的影响。通过在微带天线结构设计中引入超材料结构,有效的改善了微带天线的性能。论文的主要工作有以下几个部分:一、对超材料结构的研究现状以及小型化微带天线的研究与发展做了简要的阐述,对超材料理论以及奇异的电磁特性做出了说明,对于超材料结构未来的发展前景做了展望。二、详细介绍了超材料结构等效参数的提取方法,并且设计了两款超材料单元结构,提取它们的等效参数验证等效参数提取方法的可行性;讨论了结构参数对超材料特性的影响,结果表明超材料结构的谐振点以及负磁特性可以通过改变开口尺寸、铜环宽度以及介质基板的介电常数等来进行调节。三、阐述了微带天线的基本原理及设计方法,设计了一款在频率4.5GHz处具有双负特性的圆形单开口谐振环,并将它的互补结构引入微带天线中,用于设计小型化微带天线。结果发现,通过加载圆形单开口谐振环的互补结构,微带天线的贴片尺寸与传统微带天线相比缩小了 54.24%,增益、方向性等辐射性能基本保持不变。