基于对称结构左手材料的不对称改进研究及其应用

【摘要】：左手材料是一种新型人工电磁复合材料,因具有一系列反常的电磁特性而受到物理学和电磁学等研究领域的极大关注。目前常见的左手材料是在经典的周期性排列金属棒结合开口谐振环形式的基础上演化而来的,多以规则对称结构为主,虽具有结构简单、应用方便等优点,但也因此存在对结构参数变化不敏感、可调谐性差、损耗较高、性能单一等弊端,从而阻碍了左手材料的进一步发展和应用。论文的研究工作围绕对称结构的左手材料设计及其应用展开,并重点进行了相关不对称性改进和分析。论文主要研究工作概括如下:1.提出基于羊角状左手单元结构的左手材料系列。首先设计一款由长金属棒和圆形螺旋金属结构组成的单面羊角状左手单元结构,该结构的左手双负频段范围为3.88～4.01GHz。接着以此结构作为基础单元,按照从单元到多元系列展开的设计思路,得到基于多单元羊角状结构的蝴蝶形左手材料和花瓣形左手材料。针对对称单频蝴蝶形材料,利用在较强电谐振基础上引入两个强度不同的磁谐振从而实现双左手通带左手材料的理念,调整其两个羊角单元螺旋结构尺寸不等,分别在3.82～3.98 GHz和5.48～5.58 GHz频段范围内得到了左手特性。针对对称单频六瓣花瓣形材料,通过对其羊角单元结构中长金属棒长度的改变,构建出不同的等效电路路径长度,同样可以实现多左手通带的左手材料设计。最后针对对称八瓣花瓣形材料,分析了结构缺陷不对称对左手特性的影响。2.提出基于伞状左手单元结构的左手材料系列。首先设计了一款具有C6对称性的伞状左手材料,该结构在5.98GHz附近具有左手电磁谐振,左手双负频段范围为5.65～6.07GHz,左手频段绝对带宽为420MHz。接着通过引入四种不同的不对称性,打破原先对称结构中的电磁谐振平衡,激发出多个不同强度的左手电磁谐振,从而实现含多个左手通带的左手材料设计,为多通带左手材料的构建提供了新的思路。然后对伞状左手材料进行分形设计,通过增大等效电路模型中的电容和电感实现降频,使其更加符合WLAN/WiMAX高频段的应用要求。但与此同时双负频段绝对带宽变窄为360MHz,故在分形伞状结构左手材料中引入交指变形来实现对左手材料左手特性的控制。最后针对交指结构,分析了指臂长度和相互间距离对左手材料左手特性的影响,并综合这两个因素,提出了一款改进型的交指分形左手材料,该结构可实现工作频段从WLAN高频段到WiMAX高频段的灵活调控。3.针对左手材料在天线和吸波器领域的应用,首先设计了一款基于蝴蝶形左手材料加载的单极子天线,左手材料的加载实现了天线多频化,该天线的两个频点为2.42GHz和3.50GHz,可应用于WLAN/WiMAX频段;接着将花瓣形左手材料分别以覆盖层和辐射天线贴片周边加载的方法,应用在一工作频点为5.76GHz(WLAN高频)的微带天线,分析对比了两者对天线性能的改善影响;最后对分形伞状左手材料进行变形,并将其作为吸波材料,设计了一款在2.56GHz、6.71GHz和8.90GHz具有较高吸波率的三频吸波器。