可重构人工电磁媒质理论与应用关键技术

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1、TheoryandApplicationofKeyTechniquesforReconfigurableMetamaterialsAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyByLiuHaixia(ElectronicScienceandTechnology)Supervisor:Prof.ShiXiaoweiSeptember2014西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校

2、严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安

3、电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要新型人工电磁媒质（Metamaterials），亦被广泛称为电磁超材料，是目前电磁理论和信息科学的研究热点。Metamaterials的出现为人们设计可控的介电常数和磁导率材料提供了广阔的空间，为调控电磁波的传输提供了新的方法和手段，产生了很多新概念和应用的潜在可

4、能性。近年来，随着认知无线电技术、微电子技术、计算机技术的发展，实时电路可重构技术也被引入新型人工电磁媒质领域，以满足人工超材料对环境变化和应用对象变化的适应性要求，该方向正逐渐发展成为电磁超材料研究的另一个热点领域。本文围绕可重构新型人工电磁媒质的理论和应用关键技术展开研究，解决了目前可重构人工电磁媒质研制中的一些关键问题，提出了“通用型”人工电磁媒质的设计思想，并针对未来无线通信系统的发展研发了新型超材料天线。本文的主要内容和工作概括如下：1.阐述了人工电磁微结构的等效媒质模型理论和局域谐振机理，基于等效电路和散射参数反演算法，构建了一座联系人工超材料单元

5、拓扑结构、等效集总电路以及等效电磁场媒质参数ε和μ的桥梁，这是路与场的相互作用和统一，为加载微波控制元件和可重构人工电磁超材料的研究奠定了理论基础。2.基于实时电路可重构技术，提出频率可重构的磁负媒质模型（SSRR）和电负媒质模型（DELC），系统地研究了外部控制电路和器件对两种基本单元模型的调控机理，创新性地提出了频率可重构的双负媒质单元模型（RDNG）。该模型结构简单，调控容易，可作为通用型人工媒质的基本设计单元（Buildingblock）。3.提出可重构电磁带隙EBG结构的创新设计。采用微波变容二极管和PIN开关等调控器件加载在紧致型MushroomE

6、BG结构上，实现表面波抑制带隙和平面波同相反射带的灵活调控，用同一物理结构尺寸的EBG模型产生宽带隙、多带隙以及超宽带隙特性，以及实现频率和极化同时可重构的新型人工磁导体表面。本文设计加工了一套可重构EBG原型样品系统，包括变容二极管阵列、蘑菇型EBG阵列、单片机控制直流偏置电路板以及自动控制软件。该系统可根据外部动态需求，通过软件编程控制变容二极管阵列，有效调控电磁带隙特性。实验测试结果成功验证了可重构EBG板的带隙可调特性，以及多功能可重构电磁带隙材料系统设计的正确性和有效性。4.提出“通用”人工电磁超材料单元的创新设计。以集成PIN开关的可重构SSRR和

7、DELC为基本单元构建了通用的超材料单元结构（UME），根据外部直流偏置控制其反向截止或正向导通，可分别实现常规右手媒质、磁负媒质、电负媒I西安电子科技大学博士学位论文质以及左手双负媒质四个象限材料特性之间的相互转换。以此UME单元作为基本的Buildingblock，理论上可以构建任意的新型人工电磁材料参数，而且具有动态可调特性。5.在可重构电磁带隙EBG的设计基础上，提出了吸波频带可调的超材料薄层吸波结构。提出Jerusalem缝隙加载的新型薄层吸波结构，从理论和实验研究了其结构参数对吸波频带的调控特性。通过并联加载变容二极管和损耗电阻可有效调控吸波频带，

8、达到近似完美的跳频吸波特性，在此基础上