基于非对称结构左手材料系列研究及其天线应用

【摘要】：左手材料是新型人工电磁材料,区别于传统右手材料,左手材料具有很多奇异的电磁特性,因此国内外研究者对于左手材料的研究和应用十分关注。大多数左手材料都是基于传统的开口谐振环以及竖直金属棒发展而来的双面对称左手材料,这类左手材料具有明显的缺点:可调参数少、损耗大、尺寸较大并且左手频带较窄,因此极大限制了左手材料在微波器件上的应用。论文主要是针对单面非对称的左手材料单元结构系列的设计及在天线上的应用展开,并着重讨论研究了加载不同的拓扑结构对于电磁性能的影响,同时通过在天线上加载左手材料,并且研究了不同加载方式对于天线参数性能的影响。本文的主要研究工作概括如下:1.提出了基于G形左手材料系列单元结构,并进行了多通带优化设计:首先提出了一个非对称的G形左手材料单元结构,它是由上下圆弧和中间长金属棒、横向耦合金属棒组成。结构的初始谐振频点在5.16GHz,左手特性频段为5.0～5.25GHz,双负带宽为250MHz。接着通过加载拓扑结构的思路,分别得到加载缝隙、枝节和环形的G形左手材料,其中加载环形G形左手材料可以在缩小尺寸的情况下拓展左手特性带宽。然后对翻折对称后的结构进行了研究,得到二元G形结构左手材料,并进一步对电流分布分析优化,加载连接枝节,实现二分频双通带左手材料,即4.24～4.56GHz和6.28～6.34GHz。接着通过加载不同尺寸单元的思路,在相对较宽的等效负介电常数的频带上激发不同的磁谐振产生多通带左手特性,进一步得到了四元三通带的G形左手材料结构。最后对四元G形左手材料结构,分析了缺陷对称的加载方式对左手材料造成的影响。2.提出了基于树叶形左手材料系列单元结构,并进行了分布式加载改进研究:首先设计了一款非对称的树叶形左手材料,结构的左手特性频段为5.77～6.17GHz,左手特性绝对带宽为400MHz。沿用第三章的左手分频设计技巧及理论,通过不同结构尺寸激发出的不同磁谐振可以实现多通带左手特性的左手材料,得到四元双频的树叶形左手材料结构,进一步证实了第三章研究成果。然后在树叶形左手材料结构内部加载新的拓扑结构,通过加载“线-线”耦合结构可以使得结构的有效电流路径增大,可调参数增多,谐振频点和左手特性带宽向较低频段移动,更加切合实际应用。保持“线-线”耦合结构不变,可以在结构的尾翼加载“环-环”拓扑结构达到要求。最后分析了左右枝节的夹角和内外环缝隙之间的宽度对于左手材料双负特性的影响,从而可以通过灵活的调节结构的各项参数,使其工作在第五代移动通信频段。3.初步探索研究了左手材料在不同天线上的应用:首先设计了一款加载G形左手材料的单极子天线,从而实现了双频天线。进而研究了加载具有不同数量通带的左手材料对于超宽带天线性能的影响,成功的将原天线工作带宽2.93～9.42GHz拓展为2.2～10.61GHz,同时可以得到应用在5G双频段和传统WLAN频段的三陷波天线。接着将双脉络树叶形左手材料分别以周边、覆盖层的方式加载在双频微带天线上,通过周边加载的方式,天线工作在3.38GHz(5G频段)和5.41GHz(WLAN/WiMAX高频段),并研究了旋转加载对于天线性能的影响。最后研究覆盖层与基板之间的距离对天线性能的影响,同时分析了加载双层覆盖层之后天线的各项性能参数。