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基于非规则左手单元结构的超材料及其微带天线加载设计

董明烨  
【摘要】:左手材料是一种人工合成的新型电磁材料,相对于自然界材料有着许多优越的性能,得到了越来越多研究人员的重视。但是大多数传统设计的左手单元结构比较简单、调节参数较少,因此如何设计不规则、能够灵活调控双负频带的新型左手结构很有必要。本论文主要围绕单面不规则左手单元结构进行了系列化的设计,并且通过不同的拓扑方式产生更多的可调参数,此外还通过仿真将左手单元结构加载到天线中,采用不同方式优化天线性能。具体研究工作如下:1.基于T型杆-对称圆弧左手单元结构系列研究,同时进行了多通带改进:首先设计了 T型杆-对称圆弧左手单元结构,它是由一个断开圆弧以及T型金属杆组成。该结构的谐振频点在5.68GHz,双负频段在5.52-5.82GHZ。并通过改变下半圆弧半径、增加圆弧枝节以及S型圆弧来分析不同变形对于基础结构的影响。接着设计了三款沿y轴不同排布方式的双T杆-椭圆弧左手单元结构,其中第一款左手单元结构带宽得到提高,第二款左手单元结构实现了双频双负特性,第三款左手单元结构形成两个双负频段,并且带宽得到了拓展。2.基于双钩型左手单元结构的系列研究,同时进行了拓扑改进:首先设计了一款双钩型左手单元结构。该结构的谐振频点在4.50GHz,双负频段在4.38GHz-4.82GHz。接着将基础结构进行变形,分别为增加圆弧枝节和反向间隔S型结构。其中,增加圆弧枝节可以更加灵活的调控双负特性频段;增加反向间隔S型结构,可以实现双频左手特性。最后设计了一款双钩伞状非对称的左手结构,实现更多的可调参数。整个左手单元结构系列的品质因素都较高,这意味着损耗较低。3.仿真分析加载左手单元结构对于天线性能的影响:首先设计了一款扇子形宽带天线,工作频带是从2.07GHz到8.90GHz。然后在天线两侧加载左手结构,拓展了天线的带宽(增加1.14GHz)。接着通过两种不同左手单元结构应用方式实现了陷波效应:其一在天线馈线两侧加载两个双钩反向间隔S型左手结构,在三个频段产生了陷波;其二在上部覆铜层刻蚀双T杆-椭圆弧左手单元结构得到一款具有三陷波的三频天线。并将T型杆-非对称圆弧左手单元结构加载到单极子天线两侧,得到谐振频点分别在4.83GHz(5G微波中频)、5.84GHz(WLAN高频)的双频单极子天线。最后在微带天线接地面上引入T型杆-圆弧枝节左手单元结构,形成了工作频点在3.59GHz和4.84GHz,即5G的两个微波中频段(3.30GHz-3.60GHz以及4.80GHz-5.00GHz)的双频微带天线。


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