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新型人工电磁材料(Metamaterials)是由尺寸远小于波长的电磁谐振单元按一定排列方式组成的周期或非周期阵列。新型人工电磁材料能够具有自然界中媒质没有或难以实现的电磁特性。本论文对新型人工电磁材料实现折射率梯度透镜(Gradient Index Lens)进行了研究，并将此类透镜应用于X波段喇叭透镜天线。本文通过理论设计、模型仿真与实验验证，阐明了新型人工电磁材料应用于透镜天线，有重要价值和广阔前景。主要研究内容和贡献如下：
a)利用新型人工电磁材料实现二维折射率梯度透镜，并实验验证其在透镜天线的应用。基于几何光学法，提出了平板折射率梯度透镜的设计公式。利用宽频带线极化的电容加载线媒质实现了上述透镜。实验结果证实，该透镜与H面喇叭构成的透镜天线在6GHz至8.5GHz宽频带内均可实现高定向性波束。
b)利用新型人工电磁材料实现了可在全X波段工作的三维圆锥喇叭透镜天线。首次提出了一种新颖的透镜表面阻抗匹配层设计方法，在保证透镜相位修正能力不变的前提下，减弱了电磁波在透镜-空气介面由于阻抗失配的反射。该匹配层的引入改善了透镜天线效率，透镜厚度仅增加了16.7％。选择了宽频带双极化的闭合方环单元来实现平板折射率梯度透镜，使透镜媒质具有宽频带与轴对称特性。利用CST Microwave Studio的VBA脚本语言，完成了方环阵列透镜天线的真实结构建模仿真。构建了圆锥喇叭透镜天线实物，并且实验测量结果与仿真结果吻合。实验结果显示，口径为96mm的透镜天线在8.2GHz至12.4GHz全X波段，其馈源反射系数小于-12dB，具高定向性，E面H面均有较低副瓣，透镜支持平行口径面内的任意电场极化方向。