微波平面周期結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文所研究的微波平面周期結(jié)構(gòu)對(duì)象主要包括復(fù)合左/右手傳輸線（composite right/left handed transmission line,CRLH TL）、電磁帶隙（electromagnetic band-gap,EBG）結(jié)構(gòu)以及零階諧振器天線(zeroth-order resonator antenna,ZOR antenna)等。主要研究了這幾種周期結(jié)構(gòu)的理論、電磁特性、研究方法、仿真技術(shù)及工程應(yīng)用。本文以CRLH理

2、論為線索將所研究的這幾種周期結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。具體研究?jī)?nèi)容包括：
　　1.概述各種微波平面周期結(jié)構(gòu)的發(fā)展、電磁特性及研究進(jìn)展，并討論了它們之間的關(guān)系。這些周期結(jié)構(gòu)包括：頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）、軟/硬表面（Soft/Hard Surface）、左手媒質(zhì)（Left-handed Materials，LHM）、復(fù)合左/右手傳輸線（Composite Right/Left Handed

3、Transmission Line，CRLH TL）、缺陷地結(jié)構(gòu)（Defected Ground Structures，DGS）、光子晶體（Photonic Bandgap，PBG）與電磁帶隙（Electromagnetic Band-gap，EBG）結(jié)構(gòu)。
　　2.研究了復(fù)合左/右手傳輸線（CRLH TL）或說(shuō)Metamaterial TL的理論、發(fā)展及應(yīng)用。首先闡述了CRLH TL的幾個(gè)概念，然后以簡(jiǎn)單而又清晰的方式介紹了普通

4、復(fù)合左/右手傳輸線（C-CRLH TL）和對(duì)偶復(fù)合左/右手傳輸線（D-CRLH TL）的特性。然后提出并研究了混合C-CRLH和D-CRLH特性的新型復(fù)合左/右手傳輸線。應(yīng)用該新傳輸線的獨(dú)特性質(zhì)設(shè)計(jì)了低通濾波器。該低通濾波器的3dB截止頻率為2.38 GHz，尺寸為16 mm*16 mm（0.13λg*0.13λg，λg為截止頻率在自由空間中波長(zhǎng)）。還應(yīng)用復(fù)合左/右手傳輸線的概念設(shè)計(jì)小型、寬阻帶的帶通濾波器。該帶通濾波器的3dB通帶帶寬

5、為1.04-1.34 GHz（即25.2％），尺寸為20 mm*17 mm，即0.080λg*0.068λg，λg為濾波器工作中頻頻率在自由空間中的波長(zhǎng)。
　　3.研究了電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)。首先討論普通蘑菇型電磁帶隙（conventional mushroom-type EBG,CMT-EBG）結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理及其與CRLH TL的關(guān)系。討論了EBG結(jié)構(gòu)的三種常用仿真技術(shù)；然后提出一種基于CRLH及ZOR理論的CMT-EBG結(jié)構(gòu)

6、帶隙頻率的新評(píng)估方法。這種方法是依據(jù)帶隙頻段可由兩個(gè)零階諧振頻率fsh和fse界定的結(jié)論；推導(dǎo)了這種方法所需的邊界條件，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)基于微帶線的模型來(lái)計(jì)算帶隙頻率。研究發(fā)現(xiàn)所提出方法具有準(zhǔn)確性好、建模簡(jiǎn)單和制作方便且可測(cè)試的特點(diǎn)。依據(jù)電磁系統(tǒng)對(duì)小型化、多頻帶的要求，設(shè)計(jì)緊湊多頻的EBG結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)是基于CSRR（complementary split ring resonator）的EBG結(jié)構(gòu)，其尺寸比CMT-EBG結(jié)構(gòu)減少了28%。

7、所提出的另一種結(jié)構(gòu)（DAU-EBG）更緊湊，其尺寸比CMT-EBG結(jié)構(gòu)減少了74.1%，并在x方向和y方向分別有三個(gè)和兩個(gè)帶隙頻段。
　　4.研究EBG結(jié)構(gòu)在UWB帶阻天線上的應(yīng)用。利用EBG結(jié)構(gòu)與UWB天線的微帶饋線耦合的方法設(shè)計(jì)和分析單阻帶、雙阻帶及三阻帶的UWB天線。研究發(fā)現(xiàn)基于這種方法設(shè)計(jì)的UWB帶阻天線不但克服了阻帶設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要問(wèn)題：即高效多頻設(shè)計(jì)和阻帶寬度控制；而且EBG結(jié)構(gòu)的引入對(duì)UWB天線通帶的性能幾乎沒(méi)有影響。

8、還通過(guò)群時(shí)延、波形變換、相關(guān)系數(shù)和波形展寬系數(shù)分析了這類UWB帶阻天線的時(shí)域特性。研究發(fā)現(xiàn)所引入的EBG結(jié)構(gòu)對(duì)天線時(shí)域特性的影響較小，所以這種阻帶設(shè)計(jì)方法對(duì)于保持UWB天線的時(shí)域特性非常好。
　　5.提出一種新型的零階諧振器：MZR-EZR零階諧振器，并研究了其應(yīng)用。首先介紹以CRLH TL電路推導(dǎo)零階諧振器（ZOR），并得到ZOR的分類：零磁導(dǎo)率諧振器（mu-zero resonator,MZR）和零介電常數(shù)諧振器（epsilo

9、n-zero resonator,EZR）。然后提出一種以簡(jiǎn)單電路模型推導(dǎo)兩種不同ZOR所需的邊界條件的方法。根據(jù)EZR和MZR所需邊界條件及場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)一種混合MZR和EZR特點(diǎn)的新型零階諧振器：MZR-EZR諧振器。研究發(fā)現(xiàn)這種諧振器用作天線時(shí)，耦合饋電的方式更好得到阻抗匹配，且這種天線可取得較大半功率波瓣寬度（Half-power beamwidth,HPBW）的定向輻射。還研究了用MZR-EZR諧振器作為寄生諧振器來(lái)增強(qiáng)微帶天線