电磁超介质覆层在天线设计中的应用研究

摘要

电磁超介质(Metamaterials)作为一种新型的人工电磁材料，具有传统介质所不具备的超常物理性质，存在诸多奇异特征，其在显著提高天线增益的同时，也可用来拓展天线带宽，这为设计高性能天线提供了新的思路。超介质在天线上的应用有很多形式，在无线通信领域具有广阔的前景。
　　本文就电磁超介质覆层在天线设计中应用开展研究，设计了几款超介质覆层加载的天线。主要内容如下：
　　1.首先利用等效电路法详细分析周期细金属棒阵列的等离子效应，推导了其负介电常数表达式。然后基于电磁超介质的空间匹配层理论，设计了周期截断的金属细导线阵列超介质覆层和非周期截断的金属细导线阵列超介质覆层，将单极子嵌入到覆层中间，提高了天线增益（二者增益分别高达5.5dBi和6.5dBi，相对单极子天线增益分别提高了1dBi和2dBi），后者还使得天线带宽有了进一步拓展（相对单极子天线带宽拓展了26％）。此外，二者在实现全向辐射的同时，在整个工作频带内保持波束方向的稳定性。
　　2.基于负介电常数超介质的近场耦合理论，对经典金属线阵列结构进行变形优化，设计了基于弯折线结构、“H”型结构和“I”型结构的三种超介质覆层加载的超宽带单极子天线。其中，“H”型结构覆层实现了最大带宽2.6-7.1GHz,“I”型结构实现了6.2dBi的最大增益。对弯折线结构和“I”型结构的超介质覆层单极子天线进行实物测试，结果表明，仿真和测试结果具有很好的一致性。

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第一章 绪论

§1.1研究背景及意义

§1.2 国内外研究进展与现状

§1.3 论文的主要内容及章节安排

第二章 电磁超介质基本理论

§2.1天线的基本知识

§2.2 电磁超介质的基本定义与特性

§2.3金属细导线阵列有限介电常数模型的建立

§2.4均匀等效媒质理论与等效参数提取方法

§2.5本章小结

第三章 基于超介质覆层加载的全向高增益天线的设计研究

§3.1电磁超介质空间匹配层理论

§3.2 截断金属细导线阵列的电磁特性

§3.3 基于周期截断的金属细导线阵列超介质覆层的天线研究

§3.4 基于非周期截断的金属细导线阵列的超介质覆层天线的研究

§3.5 本章小结

第四章 谐振型超介质覆层超宽带天线的设计研究

§4.1单极子天线的基本理论

§4.2弯折线结构超介质覆层加载的超宽带单极子天线

§4.3 “H”型结构超介质覆层加载的超宽带单极子天线

§4.4 “I”型结构超介质覆层加载的超宽带高增益单极子天线

§4.5本章小结

第五章 总结与展望

§5.1 总结

§5.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的主要研究成果