介電常數(shù)接近零的人工電磁材料研究及其應(yīng)用.pdf

1、人工電磁材料是本世紀(jì)初物理學(xué)和電磁學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一。該材料突破了傳統(tǒng)電磁場(chǎng)理論中的一些重要概念，其研究成果將會(huì)廣泛應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域。人工電磁材料的研究是近年來物理學(xué)和電磁學(xué)前沿的課題之一。作為人工電磁材料的一種，介電常數(shù)接近零(Epsilon-near-zero，ENZ)的人工電磁材料具有低折射率，高相速度，近零相移等特點(diǎn)，采用介電常數(shù)接近零的人工電磁材料可以設(shè)計(jì)出很多新型電磁器件和天線。因此有關(guān)介電常數(shù)接近零的人工電磁材料方面的研究

2、具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 論文著重研究近零介電常數(shù)的人工電磁材料及其應(yīng)用。作者在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，將模式匹配法和參數(shù)提取法相結(jié)合用于分析無限大周期結(jié)構(gòu)ENZ人工電磁材料特性，設(shè)計(jì)了加載ENZ材料的幾類高增益天線。同時(shí)提出了幾種基于ENZ人工電磁材料的高性能天線和微波傳輸結(jié)構(gòu)，并將ENZ材料用于電磁波相位方向圖的賦形設(shè)計(jì)。 論文的主要研究工作和成果包括以下幾個(gè)方面： (1)利用模匹配法分析ENZ人工電磁材

3、料的特性，并將該算法與參數(shù)提取法相結(jié)合，有效提高了仿真周期結(jié)構(gòu)人工電磁材料的效率。通過計(jì)算波傳輸過程中的傳輸、反射特性，提取出無限大周期結(jié)構(gòu)材料的等效介電常數(shù)，等效磁導(dǎo)率，等效折射率等參數(shù)，為在實(shí)際中對(duì)周期結(jié)構(gòu)的ENZ材料進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (2)利用了ENZ材料的特性，設(shè)計(jì)了基于ENZ人工電磁材料的一維全向高增益單極子天線，在提高增益的同時(shí)，保持了天線的全向性；提出了圓形孔徑的ENZ人工電磁材料覆層，將其應(yīng)用于微帶

4、天線，研究了不同層數(shù)ENZ材料對(duì)微帶天線方向圖的影響及其其增益在帶寬內(nèi)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了覆蓋該材料的高增益微帶天線；提出了一種新型偶極子孔徑結(jié)構(gòu)的ENZ材料，在提高增益的同時(shí)顯著抑制了其交叉極化，提高了天線的極化純度；構(gòu)造了一種基于ENZ材料的新型微帶天線結(jié)構(gòu)，能在同一口徑面上實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化特性；基于新型人工材料的色散特性，將人工電磁材料作為微帶天線的介質(zhì)基片，實(shí)現(xiàn)了天線的多頻段工作特性。數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所構(gòu)造的幾種ENZ人

5、工電磁材料能有效提高天線的增益，改善天線的輻射特性。 (3)提出了利用ENZ材料實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的超耦合傳輸?shù)耐緩?。采用?xì)導(dǎo)線陣列、介質(zhì)填充或者階梯阻抗變換等方法，構(gòu)造出了波導(dǎo)中的ENZ材料，并據(jù)此設(shè)計(jì)了基于.ENZ人工電磁材料的多種傳輸結(jié)構(gòu)和天線。結(jié)合基片集成波導(dǎo)具有的易于加工制作，成本低，體積小，便于實(shí)驗(yàn)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了基于ENZ材料的基片集成波導(dǎo)傳輸線，對(duì)其耦合傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 (4)研究了人工電磁材料在實(shí)現(xiàn)