一种k波段电磁超材料的设计及其在微带天线中的应用

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1、一种K波段电磁超材料的设计及其在微带天线中的应用摘要：根据电磁材料的相关理论，设计出一种由新型谐振器和金属线组成的电磁双负超材料，即介电常数和磁导率同时为负的电磁材料。新型谐振器通过较小谐振腔并联的方式，在较大的单元尺寸下提高了谐振频率，既使该电磁超材料在K波段实现了双负特性，又保证了材料的辐射面积，克服了高频段超材料由于尺寸太小而难以应用的困难。设计出一种K波段的微带天线，将新型谐振器加载在天线上，并用HFSS软件对未加载谐振器和加载谐振器的天线进行仿真对比。仿真结果表明，相比普通天线，加载新型谐振器

2、的微带天线性能得到明显提升，驻波比2dB以下的带宽增加了58.3%，增益变大，并且由于谐振器对天线副瓣的抑制，提高了天线的方向性。中国8/vie　　关键词：负磁导率；负介电常数；K波段；谐振腔；微带天线　　中图分类号：TN822?34文献标识码：A：1004?373X（2017）05?0093?04　　Abstract：Accordingtothecorrelationtheoriesoftheelectromagicmaterial，anelectromagicmetamaterialeability

3、andnegativepermittivityetaleansoftheallresonantcavityparalle?ling，eabilityandnegativepermittivitycharacteristicsoftheelectromagicmetamaterialatK?band，ensuretheradiatingareaofthematerial，andoverethedifficultythatitishardtoapplytothehigh?frequencymetamater

4、ialbecauseofitssmallsize.AK?bandmicrostripantennaulationparisonsulationresultsshoonantennas，theperformanceofthemicrostripantennaloadedprovedobviously，theVSittivity；K?band；resonancecavity；microstripantenna　　0引言　　目前，电磁超材料以其奇异的电磁特性受到人们的广泛关注，其中包括负介电材料、负磁导率材料

5、和双负材料。电磁双负材料是指介电常数和磁导率同时为负的人工合成超材料，其理论最早在文献[1]中于20世纪60年代被证实。文献[2]提出周期性排列的导电金属线和金属谐振环（SRR）分别在一定频率下可以实现负介电常数和负磁导率。以此为基�A，文献[3]设计出了一种金属杆和金属谐振环周期性排列的复合材料，最终使其同时呈现出双负特性，从此引发了人们对电磁超材料研究的热潮。文献[4?5]提出可以通过传输线周期性加载串联电容和并联电感的方式设计出复合左右手传输线结构，从而实现负折射率。　　微带天线是一种低剖面、能够

6、很好适应载体结构的天线，由于其重量轻、易于制作、尺寸小等特点受到人们的青睐，微带天线在越来越多设备上的应用也使得人们对它的各种性能提出了更多的要求，其缺点如增益较低、方向性差、损耗大、频带较窄等问题亟待克服[6]。电磁超材料进入人们的视野以后，有人提出可以将双负材料应用在微带天线上，利用超材料对天线表面波的抑制，使微带天线的许多性能得到改善。文献[7]设计出一种树枝状的电磁双负材料并将其应用在微带天线上，由于新型天线的侧向辐射被超材料吸收，天线的定向性得到了提高，同时天线的带宽和增益也有所增加。　　目前

7、所提出的双负材料由于受尺寸影响，大多集中在C波段及X波段，在微带天线上的应用也集中于X波段以下，对于更高频率电磁超材料的研究和应用还很少。这是由于高频率的电磁超材料其单元尺寸通常会变小，而较小尺寸的超材料又受其辐射面积的影响，难以应用在微带天线上。本文提出了一种新型六边形谐振器与金属线组合而成的电磁超材料，通过较小谐振环并联的方式，在尺寸不变的情况下，提高了材料的谐振频率，在K波段实现了介电常数和磁导率同时为负。同时设计出一种同频段的微带天线，并将新型谐振器加载在天线上，利用HFSS软件对加载谐振器的天

8、线和普通天线进行仿真对比，结果表明，加载新型谐振器的微带天线各项性能都得到了改善，实现了较高频段电磁超材料在微带天线上的应用。