左手材料及在天线之应用研究

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1、左手材料及在天线之应用研究第一章绪论1.1研究的背景和意义随着科技的进步，人们对无线通信的要求也越来越高。天线作为无线发射和接收系统的重要组成部分，在无线通信系统中扮演着非常重要的角色，所以天线性能直接影响到无线通信质量。传统的天线已经难以满足AX、axith等人根据Pendry的设想，将金属谐振环和细金属条有规律地排列在一起，通过调节电谐振频率和磁谐振频率，制成了世界上第一块等效磁导率和等效介电常数在频率范围4.2～4.6GHz内同时为负值的人工媒质，自此左手材料面世。2001年，Smith等人又成功地研制

2、出X波段的左手材料，并通过著名的棱镜实验[14]验证了它的负折射特性，如图1-1示。实验证明当电磁波斜入射到棱镜分界面时，折射波与入射波在分界法线的同侧，而常规材料折射波和入射波分布在法线的两侧。第二章左手材料基本理论及其应用2.1左手材料的基本原理左手材料的另一个重要的性质是逆Doppler效应。多普勒效应指出，在一般介质中，波源朝观察者移动时波的接收频率变高，反之在波源在远离观察者时接收频率变低。在左手介质中，波矢量k的方向与传播速度方向是相反的，所以和常规的右手介质相比，左手介质会呈现出相反的多普勒效应

3、，即当观察者朝波源移动时，观察到的频率低于波源的振动频率；而当观察者远离波源运动时，观察到的振动频率高于波源的振动频率，如图2-1示。传统的光学透镜成像也能实现这种汇聚，但是由于倏逝波的存在，波会在传播过程中沿传播方向迅速衰减，而传统光学成像不能恢复倏逝波。这样，为了保证波能达到成像平面，传统的光学透镜成像存在一个分辨率极限。左手介质透镜能够对倏逝波的进行恢复，在经过该透镜时，倏逝波的幅度变大，从而在成像处(B点)的幅度与源处(A点)幅度保持一致。则左手介质透镜在理论上是没有分辨率限制的，能够突破一个波长的限

4、制，这是传统的光学透镜无法比拟的。由光学原理可知，常规介质构成的凸透镜/凹透镜对电磁波具有汇聚/发散的功能，而LHM凸透镜/凹透镜却具有逆聚焦和逆发散的现象。2.2左手材料应用于天线2.2.1提高天线方向性利用左手材料的零折射率特性，可以提高天线的方向性，增大增益。Enoch等提出：当介质的折射率接近于零时，放在左手介质中的全向天线向自由空间辐射的电磁波主要集中在法线方向附近，这样就减小了天线的半功率波瓣宽度，提高了天线的方向性，增大了增益[21]。微波频段周期金属杆结构的等效介电常数可以表示为：221eff

5、p,其中，p是结构的等离子体频率，ω是左手介质的谐振频率。当p很接近于ω时，等效介电常数eff接近于0，从而n=0，实现零折射特性。如图2-5示，将一辐射源嵌入在折射率n=0的左手材料平板中，平板周围是各向同性的介质，例如空气。可以看到折射光线沿着法线方向辐射出去。Enoch的实验利用了一种简单的左手材料结构：金属网孔细线，将一根天线置于金属网孔的细线层中间。实验中的金属网孔细线层就相当于理论分析中的零折射率左手介质层，天线相当于源。经过零折射率覆盖层加载，天线的E面半功率波瓣度为12

6、.5°，H面半功率波瓣宽度仅有8.9°，方向性和增益有很大的提高。第三章新型左手材料结构的研究........183.1金属开口谐振环SRR的电磁响应行为研究.......183.2双P型模型的建立及其测试........223.3格子型左手结构的建立及其测试.......293.3.1格子型左手结构单元仿真及其参数提取........293.3.2格子型左手结构的实验测试....323.4本章小结.....33第四章左手材料应用于微带天线........344.1微带天线的基本理论.....

7、....344.1.1微带天线的基本结构....344.1.2微带天线的辐射原理....354.1.3微带天线的馈电方式....374.2微带天线加载左手材料的覆盖层.......374.3基于复合左右手传输线的双频宽带天线.......414.4基于开口谐振环SRR的三频带天线.......474.5左手材料应用于天线，减少RCS......544.6本章小结.....57第五章结束语......58第四章左手材料应用于微带天线4.1微带天线的基本理论最基本的矩形微带贴片天线结构如图4-1所示，是由金属辐射

8、贴片、介质基片、金属接地板组成的。由于成本的原因，金属贴片通常由一层薄薄的铜制成[34-36]。辐射贴片可以是任意的形状，但是为了便于加工和研究，通常采取矩形和圆形的形状。一般来说，微带贴片的长度应小于传输的电磁波波长，通常取λ/2。但是通过接地等方法也可以使微带天线的尺寸缩小到小于λ/2。微带天线的特性可由输入阻抗、带宽、极化、增益、效率、辐射方向图、波瓣宽度、损耗和品