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高性能电磁特异材料及其在天线中的应用研究

作　者: 唐明春
导　师: 肖绍球
学　校: 电子科技大学
专　业: 无线电物理
关键词: 微波特异材料微带天线及阵列电小天线
分类号: TN820
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

特异材料，由于其独特新颖的电磁响应特性，成为了近十余年来业界的研究热点。本论文针对目前的发展现状，深度挖掘其结构响应机制，研究设计了一系列性能优越的特异材料，并将其应用在天线以及阵列设计中，提高天线相关辐射性能。与此同时，在基于特异材料的电小天线方面开展了广泛深入的研究。第二章结合目前特异材料理论与设计的发展现状，研究设计了一系列的性能优越的特异材料。一方面，以“工”字型电谐振特异材料结构为基础，分析其工作原理，结合等效电路模型和依据电谐振特异材料设计原理，通过加载等效电感、电容以及接地等手段降低其电谐振频率，实现单元小型化。同时也提出了一种结构紧凑简单、内部谐振器间耦合小的折叠线状双频带电谐振特异材料。另一方面，根据传统单SRRs产生磁谐振和环间耦合的物理机制，通过加载同向单SRRs、调节两环的中心位置等手段，仿真设计出了单元结构均一简单、相邻双频位置易调谐的双频带SRRs磁谐振特异材料。进而，通过加载调谐电感臂和同向环，设计了超过传统单SRR三倍带宽的宽带磁谐振特异材料。最后，将该模型单元进行了相关测试、以及介质板损耗角对负有效磁导率的宽带不平坦度影响分析。第三章逐步尝试了将特异材料单元结构应用于天线设计中。一方面，利用第二章所发展的多频带同向SRR特异材料结构单元的互补结构蚀刻在紧凑UWB天线的辐射体上。该设计不仅具有结构简单、占地面积小的优势，而且陷波结构间耦合很小、极易调节各个陷波频段以及陷波深度。进一步，分析了该UWB天线的相位响应特性，以及在整个UWB范围内该天线在时域的接收波形特性。另一方面，提出将曲折线槽式的磁谐振特异材料单元腐蚀在贴片天线地板上，使天线能够在远远低于传统贴片天线基模频点位置产生工作点，且辐射性能良好。鉴于其工作模式近似于TM120模式，将这种混合型贴片/槽天线结构的低频工作模式命名为诱导式“TM120”模。进而分析了曲折线槽周期数量对天线性能的影响。同时，为了扩展该类天线的工程应用范围，将天线进行了三个方面的演绎，也即：进一步小型化、双频化、以及抑制后向辐射。第四章深入研究了微带多天线系统单元互耦、扫描盲点机理、以及单元之间的电磁场分布，并依据特异材料谐振响应工作机理，分别将SRR与CSRR相结合的周期性混合特异材料和第二章所发展的紧凑接地SRR特异材料加载于天线单元之间，均明显降低了单元间耦合，相应地提升了天线单元以及整个阵列的辐射特性。尤其针对于SRR与CSRR的混合结构，该结构不仅结构紧凑、设计简单，并且易于共形，极其有利于目前的工程应用。通过加载该混合型周期性结构在多天线系统中，例如MIMO系统、超方向性天线设计、以及相控阵天线设计中，能够卓有成效地降低天线间的相互耦合，从而提高天线单元以及整个阵列的辐射性能，具有一定的潜在工程应用价值。第五章旨在发展、丰富、和提升基于特异材料概念的电小天线设计理论与技术。首先全面介绍了电小天线的相关概念和基于特异材料概念的电小天线基本理论，然后从以下三个方面开展了基于特异材料概念的高性能电小天线创新性工作：一、提出了利用基于改进型槽的铜铸圆盘置于电小EAD天线的近场的方法，显著提升EAD的边射方向性，并借助空间多天线阵列模型来解释通过引入铜铸圆盘来实现高方向性和前后比的物理机制；二、发展了一系列加载CSRR电小、超低剖面、高辐射效率天线；该类天线低频的方向图和单极子的方向图相比，发生了近90°的偏转，实现了良好的边射特性；三、介绍了一种用于提高电小天线方向性带宽的non-Foster方法。提出将有源电路加载在电小天线的寄生金属板的对称槽边缘，大幅度扩展电小天线的方向性带宽。该方法突破了电小无源天线阻抗匹配带宽、辐射效率、以及方向性之间折中的限制。第六章对本论文的主要研究工作进行了总结，并展望了下一步的研究工作。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-18
  1.1 研究工作的背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-16
    1.2.1 电磁特异材料的研究进展  14-15
    1.2.2 电磁特异材料在天线中应用的研究进展  15-16
  1.3 本文的主要研究内容  16-18
第二章高性能特异材料设计  18-54
  2.1 引言  18
  2.2 电谐振特异材料小型化、双频带研究  18-33
    2.2.1 电谐振特异材料小型化研究  18-26
    2.2.2 电谐振特异材料双频带研究  26-33
  2.3 宽频带磁谐振特异材料研究  33-53
    2.3.1 双频带平面性磁谐振特异材料设计  33-42
    2.3.2 宽频带平面性磁谐振特异材料设计  42-53
  2.4 本章小结  53-54
第三章电磁特异材料在天线单元设计中的应用研究  54-82
  3.1 UWB 陷波天线研究  54-67
    3.1.1 引言  54-56
    3.1.2 紧凑型 UWB 天线设计  56-57
    3.1.3 单、双陷波 UWB 天线设计  57-60
    3.1.4 三陷波 UWB 天线设计  60-67
  3.2 基于诱导“TM120”模式的微带天线设计  67-81
    3.2.1 引言  67
    3.2.2 曲折线槽的电磁特性  67-71
    3.2.3 基于诱导性“TM120”模式的微带天线设计  71-81
  3.3 本章小结  81-82
第四章特异材料在微带多天线中的应用研究  82-108
  4.1 混合 SRR 与 CSRR 周期性结构抑制微带天线单元间互耦研究  82-88
  4.2 宽带电谐振特异材料清除相控阵扫描盲点研究  88-106
    4.2.1 引言  88-93
    4.2.2 电谐振特异材料抑制微带天线单元间耦合  93-101
    4.2.3 电谐振特异材料清除相控阵扫描盲点研究  101-106
  4.3 本章小结  106-108
第五章基于特异材料概念的电小天线研究  108-164
  5.1 引言  108-113
    5.1.1 有关电小天线的基本参数  108-111
    5.1.2 基于特异材料概念的电小天线设计  111-113
  5.2 电小天线方向图重塑形研究  113-137
    5.2.1 引言  113-114
    5.2.2 EAD 电小天线设计  114-116
    5.2.3 改进型槽寄生铜铸圆盘结合的 EAD 天线设计  116-129
    5.2.4 高方向性 EAD 天线系统与现有报道比较  129-134
    5.2.5 高方向性两单元边射阵  134-137
  5.3 基于 CSRR 结构的低剖面、边射、高效率电小天线设计  137-155
    5.3.1 引言  137
    5.3.2 加载 CSRR 的单极子天线设计  137-142
    5.3.3 具有近乎边射方向图的超低剖面天线设计  142-145
    5.3.4 带帽加载 CSRR 单极子天线设计参数讨论  145-147
    5.3.5 超低剖面电小天线设计思想的扩展  147-155
      5.3.5.1 ka   147-150
      5.3.5.2 基于 CSRR 的高方向性天线设计  150-155
  5.4 基于有源 non-Foster 的电小天线设计  155-162
    5.4.1 引言  155
    5.4.2 电小天线频率捷变性能分析  155-159
    5.4.3 non-Foster 电容加载寄生圆盘的电小天线  159-162
  5.5 本章小结  162-164
第六章结论及展望  164-167
  6.1 本文所做的创新性工作及贡献  164-165
  6.2 下一步工作的展望  165-167
致谢  167-168
参考文献  168-181
攻博期间取得的研究成果  181-184

高性能电磁特异材料及其在天线中的应用研究

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