基于透射型人工电磁材料的微波器件设计

摘要

近年来，新型人工电磁材料由于其独特的电磁特性，已经受到越来越多学者的关注。从电磁波的传播方向来看,人工电磁材料可分为反射型和透射型。在实际应用中，反射型电磁材料往往存在反射波和入射波之间的相互干扰，基于此问题本文主要设计和研究了三款基于透射型人工电磁材料的微波器件，分别是：吸透一体的宽带频率选择Rasorber(Frequency Selective Rasorber,FSR)、用于提高天线增益的频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)覆层和应用在X波段基于相位梯度超表面的宽带透镜。 本文第一部分主要研究了一款基于“风车”形耦合极子阵列低风阻FSR。首先研究了FSR的设计原理，在ADS仿真软件中建立了FSR的等效电路模型。设计的FSR结构主要由有损耗层、介质匹配层和无损耗层构成。其中无损耗层选用的是频率选择表面结构，介质匹配层为空气，而有损耗层则是在无损耗层上加载集总元件来实现。为了降低FSR的传输窗口插入损耗，同时减小它的受风面，对其进行了镂空处理。仿真和实测结果表明该FSR在频点7.71GHz处插入损耗为1.016dB，在通带两边的反射系数均低于-10dB。其优势在于：实现了通带的低插入损耗以及通带两边的低反射，通过镂空处理降低了结构的风阻和插入损耗。 本文第二部分主要研究了一款FSS覆层并且利用该FSS覆层提高天线增益。首先分析了利用FSS提高天线增益的原理。其次，设计了由金属方环和介质基板构成的FSS覆层，将FSS覆层加载在微带缝隙天线上，经过FSS覆层透射的电磁波和经过FSS覆层与天线金属接地面间振荡透射的电磁波发生干涉相长，使得整个天线由原先的双向辐射变为定向辐射，并且在7.2~8GHz频带内平均增益提高了98.7%。 本文第三部分主要研究和设计了一款工作在X波段的平面宽带透镜。由于第二部分利用FSS覆层提高天线增益的方法要求加载的辐射源天线需要一个全接地面，存在一定的局限性，而基于相位梯度超表面(phase-gradient metasurface,PGMS)的透镜加载的辐射源天线种类不受限制，同时可以有效地提高天线的增益。本章设计了基于相位梯度超表面的透镜，主由金属方形贴片围绕金属方形贴片的方环构成。通过调整方形贴片的边长大小使得透射曲线相位实现0°~360°相位补偿，实现了8.2~10GHz频段的电磁波聚焦特性。最后将透镜加载到三个分别工作在8.2GHz、9.1GHz和10GHz的微带天线上，使得辐射源天线增益得到了显著的提高。

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