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人工电磁超材料(Metamaterials)是一种具有自然界物质所不具备的超常电磁特性的复合结构或材料。本文主要对新型人工电磁超材料在天线中的应用展开了分析和研究工作,利用人工电磁超材料独特的电磁特性,包括近零折射率、亚波长谐振、超薄吸波等特性,改善和提高传统天线的性能。论文主体分为三大部分:第一部分,高增益的太赫兹匹配近零折射率超材料透镜天线;第二部分,三频段共面偶极子超材料天线;第三部分,低雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)和低副瓣电平的超材料微带阵列天线。本文主要的研究内容和成果如下:1、提出了一种匹配近零折射率超材料太赫兹平面透镜天线的设计方法。匹配近零折射率超材料透镜的折射率近似为零,对天线辐射的电磁波起到聚焦作用,在保证天线增益增强的同时,零折射率超材料透镜的阻抗与天线介质基板阻抗匹配,使超材料透镜与天线直接相连,而不需要与天线隔离,易于实现小型化、高增益、机械结构稳定的天线系统。2、提出了一种应用于WLAN和WiMAX的共面偶极子超材料三频段天线。利用超材料谐振器亚波长的特性,在一个宽频段的共面偶极子天线的两臂刻蚀两对互补电容加载谐振环(Complementary capacitively loaded loop,CCLL),产生两个阻带频带,从而实现三频段的应用于WLAN和WiMAX的共面偶极子天线。宽频带偶极子天线通过微带-共面双线的宽带巴伦给天线的两臂馈电,这样的巴伦具有频带宽和无需过孔等优点。通过理论计算、全波仿真与微波实验研究,获得了在2.21-2.77、3.33-3.95以及5.04-6 GHz频段内性能良好的三频段天线。3、通过加载各向异性超材料的方式实现了一种低雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)和低副瓣电平的微带阵列天线。该超材料对于空间来波形成结构紧凑、极化不敏感、宽入射角度的超薄吸波器,可用于天线RCS减缩;同时具有抑制天线单元之间表面波的特性起到去耦合的作用,可实现阵列天线的低副瓣电平。利用有效介质理论和全波有限元电磁仿真,设计了一个10 GHz微带阵列天线,加载超材料后RCS最大减缩量达到15.2 dB,同时使天线的副瓣电平降低了5.6 dB。实验上验证了超材料吸波器具有良好的RCS减缩特性。通过利用超材料的各向异性,不仅能够降低阵列天线的雷达散射截面,而且能够减小阵列天线的副瓣电平。