基于非对称结构左手材料系列研究及其天线应用

发布时间：2020-07-20 18:39

【摘要】：左手材料是新型人工电磁材料,区别于传统右手材料,左手材料具有很多奇异的电磁特性,因此国内外研究者对于左手材料的研究和应用十分关注。大多数左手材料都是基于传统的开口谐振环以及竖直金属棒发展而来的双面对称左手材料,这类左手材料具有明显的缺点:可调参数少、损耗大、尺寸较大并且左手频带较窄,因此极大限制了左手材料在微波器件上的应用。论文主要是针对单面非对称的左手材料单元结构系列的设计及在天线上的应用展开,并着重讨论研究了加载不同的拓扑结构对于电磁性能的影响,同时通过在天线上加载左手材料,并且研究了不同加载方式对于天线参数性能的影响。本文的主要研究工作概括如下:1.提出了基于G形左手材料系列单元结构,并进行了多通带优化设计:首先提出了一个非对称的G形左手材料单元结构,它是由上下圆弧和中间长金属棒、横向耦合金属棒组成。结构的初始谐振频点在5.16GHz,左手特性频段为5.0～5.25GHz,双负带宽为250MHz。接着通过加载拓扑结构的思路,分别得到加载缝隙、枝节和环形的G形左手材料,其中加载环形G形左手材料可以在缩小尺寸的情况下拓展左手特性带宽。然后对翻折对称后的结构进行了研究,得到二元G形结构左手材料,并进一步对电流分布分析优化,加载连接枝节,实现二分频双通带左手材料,即4.24～4.56GHz和6.28～6.34GHz。接着通过加载不同尺寸单元的思路,在相对较宽的等效负介电常数的频带上激发不同的磁谐振产生多通带左手特性,进一步得到了四元三通带的G形左手材料结构。最后对四元G形左手材料结构,分析了缺陷对称的加载方式对左手材料造成的影响。2.提出了基于树叶形左手材料系列单元结构,并进行了分布式加载改进研究:首先设计了一款非对称的树叶形左手材料,结构的左手特性频段为5.77～6.17GHz,左手特性绝对带宽为400MHz。沿用第三章的左手分频设计技巧及理论,通过不同结构尺寸激发出的不同磁谐振可以实现多通带左手特性的左手材料,得到四元双频的树叶形左手材料结构,进一步证实了第三章研究成果。然后在树叶形左手材料结构内部加载新的拓扑结构,通过加载“线-线”耦合结构可以使得结构的有效电流路径增大,可调参数增多,谐振频点和左手特性带宽向较低频段移动,更加切合实际应用。保持“线-线”耦合结构不变,可以在结构的尾翼加载“环-环”拓扑结构达到要求。最后分析了左右枝节的夹角和内外环缝隙之间的宽度对于左手材料双负特性的影响,从而可以通过灵活的调节结构的各项参数,使其工作在第五代移动通信频段。3.初步探索研究了左手材料在不同天线上的应用:首先设计了一款加载G形左手材料的单极子天线,从而实现了双频天线。进而研究了加载具有不同数量通带的左手材料对于超宽带天线性能的影响,成功的将原天线工作带宽2.93～9.42GHz拓展为2.2～10.61GHz,同时可以得到应用在5G双频段和传统WLAN频段的三陷波天线。接着将双脉络树叶形左手材料分别以周边、覆盖层的方式加载在双频微带天线上,通过周边加载的方式,天线工作在3.38GHz(5G频段)和5.41GHz(WLAN/WiMAX高频段),并研究了旋转加载对于天线性能的影响。最后研究覆盖层与基板之间的距离对天线性能的影响,同时分析了加载双层覆盖层之后天线的各项性能参数。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441;TN820
【图文】：

左手,波段,材料

传统的双面左手材料结构，不仅由于其的二维结构导致加工制作困难，而且逡逑在对于微波器件上的应用也有很大的难度。所以，在单面同时实现负的等效磁导逡逑率和介电常数的荜面左手材料是当下的研究热点。２００５年，ＧｉｉｏＹ等人［３２１利用逡逑矩形的蜿蜒结构，有效的增加ｊ＇电流的有效路柃，使得Ａ邋ｆ？材料的双负频点向低逡逑频移动，从而使得在４．３１ＧＨｚ左右产生了双负特性，如图１－３邋（ａ）所示。２０１１逡逑年，陈春晖等人Ｍ设计了一款基于单面金属结构，在７．０－ｌＯ．ｌＧＨｚ实现了负的逡逑祈射率，并且相对左手带宽达到了邋３６％，此外，该结构具有良好的容错能力，对逡逑实际应用有很大参考价值，如图１－３邋（ｂ）所示。同年，四川大学吕清等人提逡逑出了－邋？种共面紧凑型的左手材料结构，采用折叠方形迷宫环结构设计方式，可以逡逑在５．８ＧＨｚ频段附近实现左手特性，并且通过加载在棱镜形状的基板上，观察到逡逑了负折射率的现象，如图１－３邋（ｃ）所示。２０１４年，Ｇａｏ邋Ｒ等人通过“Ｕ”型金逡逑属环和金属棒共面放置，提出了一种能在７．５ＧＨｚ谐振的左ｐ结构，之后分析了逡逑

左手,材料,微波段,微波频段

基于非对称结构左手村料系列研究及其天线应用逡逑路，如图１－３（心所示》２０丨７年，＼＾—１１１等人［３６｜设计了一款工作在２．２９－２．４２0也逡逑的左手材料结构，应用于天线上之后，天线增益改善了邋８．９７ｄＢ，并且缩小了天线逡逑３９％的尺寸。由此可见，左手材料对于天线的应用价值十分巨大，如图丨－３邋（ｅ）逡逑所示。同年厦门大学微波与光子课题组的程飞设计了一款单面蝴蝶形结构的左手逡逑材料［３７１，该结构由一对对称的数字“９”金属线并联构成，将弯折结构的金属线逡逑形成了等效电等离子体的金属结构，反向电流激励出了磁谐振，最终得到了左手逡逑特性频段为５．６４？６．６５ＧＨｚ的左手材料结构，如图１－３邋（ｆ）所示。虽然相对于传逡逑统的双面左手材料结构，单面左手材料结构可以有效的简化结构，使得应用加载逡逑更加方便，但是目前大多数研究都是基于对称结构的单面左手材料，依然存在可逡逑调参数少

左手,材料,加载

在左手材料的应用当中，相对于其他微波器件领域，天线领域的应用占据着逡逑非常大的比重＝２０１１年，Ｇａｒｇ等人把Ｃ型左手材料加载在微带贴片上，在逡逑２．４ＧＨＡ皆振频点下比较了加载前后的性能，发现左手材料可以提高回波损耗６ｄＢ，逡逑并且显著的提高了天线的增益，如图１－８邋（ａ）所示。逡逑２０１２年，Ｌｍ等人ｔ５２ｌ该左手结构为两个开口谐振环，通过将其填充在介质基逡逑板，天线的长度可以缩小０．２８Ａ，并且天线的方向性得到了很大的改善，可以使＿逡逑得微带天线１：作在４．６ＧＨｚ，改善了天线的辐射性能，但是天线的增益仍处于３ｄＢ逡逑以下，仍需进一步提升，如图１－８邋（ｂ）所示。逡逑２０１２年，Ｗａｎｇ等人提出了覆盖左手材料的方法，该左手材料由两个对逡逑向三角开口谐振环构成，通过加载两个相同的结构，在Ｒ０６０１０基板上，可以获逡逑得邋２－３．７ＧＨｚ，３．８－４．９ＧＨｚ，５－６．３ＧＨｚａｎｄ７．２－１０．０ＧＨｚ邋的左手特性频段。来加载左手逡逑材料的天线的谐振点为５．２２ＧＨｚ和５．７５ＧＨｚ，加载左手结构之后，天线的谐振频逡逑

【参考文献】