新型亞波長電磁超材料的設計與應用研究.pdf

1、電磁超材料(Metamaterial)作為一種具有許多常規(guī)媒質(zhì)不具備的奇異特性的人工媒質(zhì),受到了越來越廣泛的關注。本文根據(jù)電磁超材料的設計理論,設計了高度亞波長小型化的單負、雙負電磁超材料,并將其應用于無線能量傳輸系統(tǒng)中,提高無線能量傳輸?shù)木嚯x和效率;又從理論方面入手,研究不同種類理想近零折射率材料的等效媒質(zhì)特性,并將其用于構成高指向性天線的覆層,研究其對天線性能的影響;最后用實際拓撲結構實現(xiàn)了幾種近零折射率電磁超材料,并作為覆層與微帶

2、天線構成高增益覆層天線,研究其對微帶天線性能的改善。
　　本文的主要工作和研究成果包括以下方面:
　　首先,設計了一種兩面均為平面螺旋結構的磁導率為負(MNG)電磁超材料,其波長和尺寸比大于307,具有亞波長小型化的特點;又基于MNG電磁超材料的設計方法設計了一種一面為平面螺旋、一面為金屬彎折線的雙負(DNG或NRI)電磁超材料,其波長與尺寸之比大于253,也具有高度小型化的特征,且根據(jù)此種電磁超材料的結構特征提出一種簡易的

3、測量方法。
　　其次,將所設計的MNG、NRI電磁超材料應用于無線能量傳輸系統(tǒng)中,用兩個耦合環(huán)集成一塊、兩塊、三塊及四塊MNG或NRI電磁超材料單元構成新型無線能量傳輸系統(tǒng),此系統(tǒng)工作于磁諧振耦合機制,當兩個耦合環(huán)間距離為140mm時,集成三塊電磁超材料單元的傳輸系統(tǒng)與只有兩個耦合環(huán)組成的無線能量傳輸系統(tǒng)相比,其傳輸系數(shù)S21從-32.4 dB增加到-5.1 dB,提高了27.3dB。
　　第三,從理論方面入手,研究了幾種近

4、零折射率材料的等效媒質(zhì)特性,研究發(fā)現(xiàn),對于由介電常數(shù)近零(ENZ)的近零折射率材料不完全填充的一個區(qū)域而言,其E面電場主要通過近零折射率材料來傳輸;而對由磁導率近零(MNZ)的近零折射率材料不完全填充的一個區(qū)域而言,其H面磁場主要通過近零折射率材料來傳輸;而對于由介電常數(shù)和磁導率雙近零(DNZ)的近零折射率材料不完全填充的一個區(qū)域而言,其E面電場和H面的磁場都主要通過近零折射率材料來傳輸;將理想近零折射率材料用作微帶天線的覆層構成高指向

5、性天線,ENZ近零折射率材料的覆層將對天線的E面方向圖進行壓縮匯聚,MNZ近零折射率材料的覆層將對天線H面方向圖進行壓縮匯聚,而DNZ近零折射率材料將對E面和H面方向圖同時進行壓縮匯聚,因此方向性提高。
　　第四,用實際拓撲結構實現(xiàn)了幾種近零折射率電磁超材料,將其應用于高增益覆層天線,實測與理論研究吻合良好;在基板的一面刻蝕Fishnet嵌套方形貼片結構,另一面刻蝕Fishnet結構將使電磁超材料的相對介電常數(shù)和相對磁導率同時近零