高性能電磁特異材料及其在天線中的應(yīng)用研究.pdf

1、特異材料，由于其獨(dú)特新穎的電磁響應(yīng)特性，成為了近十余年來(lái)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。本論文針對(duì)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，深度挖掘其結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制，研究設(shè)計(jì)了一系列性能優(yōu)越的特異材料，并將其應(yīng)用在天線以及陣列設(shè)計(jì)中，提高天線相關(guān)輻射性能。與此同時(shí)，在基于特異材料的電小天線方面開展了廣泛深入的研究。
　　第二章結(jié)合目前特異材料理論與設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了一系列的性能優(yōu)越的特異材料。一方面，以“工”字型電諧振特異材料結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析其工作原理，結(jié)合等效電路

2、模型和依據(jù)電諧振特異材料設(shè)計(jì)原理，通過加載等效電感、電容以及接地等手段降低其電諧振頻率，實(shí)現(xiàn)單元小型化。同時(shí)也提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、內(nèi)部諧振器間耦合小的折疊線狀雙頻帶電諧振特異材料。另一方面，根據(jù)傳統(tǒng)單SRRs產(chǎn)生磁諧振和環(huán)間耦合的物理機(jī)制，通過加載同向單SRRs、調(diào)節(jié)兩環(huán)的中心位置等手段，仿真設(shè)計(jì)出了單元結(jié)構(gòu)均一簡(jiǎn)單、相鄰雙頻位置易調(diào)諧的雙頻帶SRRs磁諧振特異材料。進(jìn)而，通過加載調(diào)諧電感臂和同向環(huán)，設(shè)計(jì)了超過傳統(tǒng)單SRR三倍帶寬的

3、寬帶磁諧振特異材料。最后，將該模型單元進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試、以及介質(zhì)板損耗角對(duì)負(fù)有效磁導(dǎo)率的寬帶不平坦度影響分析。
　　第三章逐步嘗試了將特異材料單元結(jié)構(gòu)應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)中。一方面，利用第二章所發(fā)展的多頻帶同向SRR特異材料結(jié)構(gòu)單元的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)蝕刻在緊湊UWB天線的輻射體上。該設(shè)計(jì)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小的優(yōu)勢(shì)，而且陷波結(jié)構(gòu)間耦合很小、極易調(diào)節(jié)各個(gè)陷波頻段以及陷波深度。進(jìn)一步，分析了該UWB天線的相位響應(yīng)特性，以及在整個(gè)UWB范圍內(nèi)該天

4、線在時(shí)域的接收波形特性。另一方面，提出將曲折線槽式的磁諧振特異材料單元腐蝕在貼片天線地板上，使天線能夠在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)貼片天線基模頻點(diǎn)位置產(chǎn)生工作點(diǎn)，且輻射性能良好。鑒于其工作模式近似于TM120模式，將這種混合型貼片/槽天線結(jié)構(gòu)的低頻工作模式命名為誘導(dǎo)式“TM120”模。進(jìn)而分析了曲折線槽周期數(shù)量對(duì)天線性能的影響。同時(shí)，為了擴(kuò)展該類天線的工程應(yīng)用范圍，將天線進(jìn)行了三個(gè)方面的演繹，也即：進(jìn)一步小型化、雙頻化、以及抑制后向輻射。
　　

5、第四章深入研究了微帶多天線系統(tǒng)單元互耦、掃描盲點(diǎn)機(jī)理、以及單元之間的電磁場(chǎng)分布，并依據(jù)特異材料諧振響應(yīng)工作機(jī)理，分別將SRR與CSRR相結(jié)合的周期性混合特異材料和第二章所發(fā)展的緊湊接地SRR特異材料加載于天線單元之間，均明顯降低了單元間耦合，相應(yīng)地提升了天線單元以及整個(gè)陣列的輻射特性。尤其針對(duì)于SRR與CSRR的混合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且易于共形，極其有利于目前的工程應(yīng)用。通過加載該混合型周期性結(jié)構(gòu)在多天線系統(tǒng)中，例如

6、MIMO系統(tǒng)、超方向性天線設(shè)計(jì)、以及相控陣天線設(shè)計(jì)中，能夠卓有成效地降低天線間的相互耦合，從而提高天線單元以及整個(gè)陣列的輻射性能，具有一定的潛在工程應(yīng)用價(jià)值。
　　第五章旨在發(fā)展、豐富、和提升基于特異材料概念的電小天線設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。首先全面介紹了電小天線的相關(guān)概念和基于特異材料概念的電小天線基本理論，然后從以下三個(gè)方面開展了基于特異材料概念的高性能電小天線創(chuàng)新性工作：一、提出了利用基于改進(jìn)型槽的銅鑄圓盤置于電小EAD天線的近場(chǎng)的

7、方法，顯著提升EAD的邊射方向性，并借助空間多天線陣列模型來(lái)解釋通過引入銅鑄圓盤來(lái)實(shí)現(xiàn)高方向性和前后比的物理機(jī)制；二、發(fā)展了一系列加載CSRR電小、超低剖面、高輻射效率天線；該類天線低頻的方向圖和單極子的方向圖相比，發(fā)生了近90°的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了良好的邊射特性；三、介紹了一種用于提高電小天線方向性帶寬的non-Foster方法。提出將有源電路加載在電小天線的寄生金屬板的對(duì)稱槽邊緣，大幅度擴(kuò)展電小天線的方向性帶寬。該方法突破了電小無(wú)源天線阻