周期性结构超材料在微带天线中的应用

摘要

左手材料(LHM)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工电磁材料，它具有很多奇异的特性，在光与电磁领域具有重要应用价值。零折射率材料是人工电磁超材料的另一分支，根据Snell定律，当电磁波通过零折射率材料时，出射电磁波的折射角将接近于零，很好地控制了电磁波的方向。
　　本文首先介绍了左手材料、零折射率材料和微带天线的相关理论、特性和研究方法。在此基础上，我们设计了基于螺旋线结构的复合微带天线和基于多层复合基板结构的微带天线，研究结果表明，所设计的复合天线在谐振频率处，天线的相对介电常数和相对磁导率均为负值，复合天线具有更低的回波损耗和更高的增益。我们又根据零折射率材料的理论和特性，设计了基于交指型结构的复合微带天线和基于十字型结构的复合微带天线，通过对这两种天线的数值仿真分析，验证了零折射率材料对微带天线的性能具有改善作用。
　　本文的研究工作主要如下:
　　设计了基于螺旋线结构的复合微带天线，通过数值仿真，结果表明该复合天线的性能有明显提高，较之普通微带天线，回波损耗减少了约15.8dB，增益提高6.57 dB，从而验证左手材料能改善微带天线的性能。在此基础上，又设计基于多层基板结构的复合微带天线、基于异质结构的多层复合微带天线和基于复式晶格结构的多层复合微带天线，结果表明，这三种多层复合天线都能明显提高天线的性能。一方面是复合天线在谐振频率处具有左手效应;另外，多层复合基板表面周期性排列的谐振环构成三维光子晶体结构，形成的光子禁带效应对天线性能也有一定的提升。
　　结合零折射率材料的特性，设计了基于交指型结构的复合微带天线，复合天线的增益提高了2.613dB，工作带宽明显变宽，约为普通天线的4倍，表明近零折射率材料可以增大天线增益和带宽;为了进一步验证零折射率材料对微带天线性能的影响，又设计了一种基于十字型结构的复合微带天线，复合天线的回波损耗减少了10.87dB，正向增益提高了5.67dB，方向性也有一定的提高，表明近零折射率材料可以明显地提高微带天线的增益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 左手材料的发展现状及其在微带天线中的应用

1．2．1 左手材料的发展现状

1．2．2 左手材料在天线上的应用

1．3 零折射率材料的发展现状及在微带天线中的应用

1．4 论文安排

第二章 左手材料、零折射率材料及微带天线的基本原理

2．1 左手材料的基本概念

2．2 左手材料的电磁特性

2．2．1 负折射效应

2．2．2 逆切伦科夫效应

2．2．3 逆多普勒效应

2．3 零折射率材料基本理论和特性

2．4 微带天线的基本理论

2．4．1 微带贴片天线基本结构

2．4．2 天线的基本参数

2．5 本章小结

第三章 左手材料与零折射率材料的分析方法

3．1 左手材料和零折射率材料的等效电磁参数计算

3．2 本章小结

第四章 左手材料在微带天线中的应用研究

4．1 基于螺旋线结构的复合微带天线的设计

4．2 基于多层基板结构的复合微带天线的设计

4．3 基于异质结构的多层复合微带天线的设计

4．4 基于复式晶格结构的多层复合微带天线的设计

4．5 本章小节

第五章 近零折射率材料在微带天线中的应用

5．1 基于交指型结构的复合微带天线的设计

5．2 基于十字型结构的复合微带天线的设计

5．3 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文