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基于非左右对称循环耦合结构左手材料的研究及应用

许海轲  
【摘要】:左手材料是一种具备独特电磁特性的人工复合材料,其特性不同于常见的自然界存在的介质材料,加载左手材料的设备有可能打破传统材料对设备性能的限制。目前,对于左手材料的研究大体可以分为谐振型左手材料和传输线型左手材料。谐振型左手材料多以加载于介质基板两侧的电谐振和磁谐振单元构成。以往的左手单元结构大多左右完全对称,这往往局限了天线的设计空间,同时结构的改变大多为简单变化。本论文的研究内容主要为利用循环的概念设计左手结构单元并利用拓扑变化进行改进。论文主要研究内容如下:1.研究如何利用拓扑理论结合左手结构电流分布图对左手结构的设计进行指导。本文提出将三种拓扑变化方式应用于左手结构的设计中,分别实现左手结构的电磁特性连续性渐变、产生寄生频率和电磁突变。同时,利用简单的圆-C左手结构进行拓扑变化得到了齿轮状和时钟状左手结构,验证了应用的有效性。2.提出了圆-C循环耦合左手单元结构系列。该结构可以有效利用整体空间,结构以整体圆环实现磁谐振,通过金属棒结构实现电谐振,结构的双负频段为3.43GHz-3.90GHz。通过拓扑理论结合电流分布图的分析方法对单元结构进行分析,并对结构进行了拓扑变化得到了一款紧凑型左手结构。改进的结构能更好的利用设计空间,双负特性保持和原结构相近。最后,将二单元左手结构改为四单元左手结构,该结构具备一定二维特性。3.提出了整体循环交互耦合左手单元结构系列。该系列单元有效利用整体和局部空间来构造更多的磁谐振电路,其通过利用不同的谐振回路实现了 3.44-3.71GHz和5.63-6.50GHz的双频段双负特性。为了进一步增加可控参数,提升空间利用率,在其内部进行了加载了两种不同枝节。最后将二单元结构变化为四单元结构,实现了从一维左手材料到二维的转变。4.将设计的两系列左手结构以四种不同方式加载到MIMO天线中,实现了陷波、隔离、导通等多种应用。所设计的超宽带MIMO天线在3.33-5.09 GHz频段内为阻带,减弱了对5G中频段通信系统的干扰。另一款背面加载左手寄生结构的双频MIMO天线的工作频段为3.40-3.60GHz和3.47-5.90GHz,该工作频点包容了最新的5G通信中频段中的3400-3600MHz和4800-5000MHz频段。最后,以二维左手结构为原型设计了一款紧凑型四单元MIMO天线。


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