新型亞波長(zhǎng)電磁超材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究.pdf

1、電磁超材料(Metamaterial)作為一種具有許多常規(guī)媒質(zhì)不具備的奇異特性的人工媒質(zhì),受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文根據(jù)電磁超材料的設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)了高度亞波長(zhǎng)小型化的單負(fù)、雙負(fù)電磁超材料,并將其應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,提高無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)木嚯x和效率;又從理論方面入手,研究不同種類(lèi)理想近零折射率材料的等效媒質(zhì)特性,并將其用于構(gòu)成高指向性天線(xiàn)的覆層,研究其對(duì)天線(xiàn)性能的影響;最后用實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了幾種近零折射率電磁超材料,并作為覆層與微帶

2、天線(xiàn)構(gòu)成高增益覆層天線(xiàn),研究其對(duì)微帶天線(xiàn)性能的改善。
　　本文的主要工作和研究成果包括以下方面:
　　首先,設(shè)計(jì)了一種兩面均為平面螺旋結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率為負(fù)(MNG)電磁超材料,其波長(zhǎng)和尺寸比大于307,具有亞波長(zhǎng)小型化的特點(diǎn);又基于MNG電磁超材料的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種一面為平面螺旋、一面為金屬?gòu)澱劬€(xiàn)的雙負(fù)(DNG或NRI)電磁超材料,其波長(zhǎng)與尺寸之比大于253,也具有高度小型化的特征,且根據(jù)此種電磁超材料的結(jié)構(gòu)特征提出一種簡(jiǎn)易的

3、測(cè)量方法。
　　其次,將所設(shè)計(jì)的MNG、NRI電磁超材料應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中,用兩個(gè)耦合環(huán)集成一塊、兩塊、三塊及四塊MNG或NRI電磁超材料單元構(gòu)成新型無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng),此系統(tǒng)工作于磁諧振耦合機(jī)制,當(dāng)兩個(gè)耦合環(huán)間距離為140mm時(shí),集成三塊電磁超材料單元的傳輸系統(tǒng)與只有兩個(gè)耦合環(huán)組成的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)相比,其傳輸系數(shù)S21從-32.4 dB增加到-5.1 dB,提高了27.3dB。
　　第三,從理論方面入手,研究了幾種近

4、零折射率材料的等效媒質(zhì)特性,研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于由介電常數(shù)近零(ENZ)的近零折射率材料不完全填充的一個(gè)區(qū)域而言,其E面電場(chǎng)主要通過(guò)近零折射率材料來(lái)傳輸;而對(duì)由磁導(dǎo)率近零(MNZ)的近零折射率材料不完全填充的一個(gè)區(qū)域而言,其H面磁場(chǎng)主要通過(guò)近零折射率材料來(lái)傳輸;而對(duì)于由介電常數(shù)和磁導(dǎo)率雙近零(DNZ)的近零折射率材料不完全填充的一個(gè)區(qū)域而言,其E面電場(chǎng)和H面的磁場(chǎng)都主要通過(guò)近零折射率材料來(lái)傳輸;將理想近零折射率材料用作微帶天線(xiàn)的覆層構(gòu)成高指向

5、性天線(xiàn),ENZ近零折射率材料的覆層將對(duì)天線(xiàn)的E面方向圖進(jìn)行壓縮匯聚,MNZ近零折射率材料的覆層將對(duì)天線(xiàn)H面方向圖進(jìn)行壓縮匯聚,而DNZ近零折射率材料將對(duì)E面和H面方向圖同時(shí)進(jìn)行壓縮匯聚,因此方向性提高。
　　第四,用實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了幾種近零折射率電磁超材料,將其應(yīng)用于高增益覆層天線(xiàn),實(shí)測(cè)與理論研究吻合良好;在基板的一面刻蝕Fishnet嵌套方形貼片結(jié)構(gòu),另一面刻蝕Fishnet結(jié)構(gòu)將使電磁超材料的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率同時(shí)近零