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左手介质是具有周期结构的新型人工电磁介质,它同时具有负介电常数和负磁导率,能够实现后向波效应、负折射效应等一系列超常规的电磁特性,对微波天线、电路器件等领域具有重要的理论意义和工程价值。本文以左手介质的电磁特性分析为理论基础,以性能优良的左手介质的后向波效应为研究核心,以微带贴片天线和微带环形天线的应用实例为检验标准,综合发展了基于左手介质相位补偿效应的小型化技术。本文首先阐述了左手介质的后向波特性用作相位补偿器的理论基础,建立了左手介质复合的一维小型化谐振腔的理论模型,并进一步推广到加载理想左手介质的微带贴片天线。理论研究结果表明:左手介质复合的谐振腔和微带贴片天线的物理尺度与谐振频率无关,而取决于复合的本构关系参数,从而验证了该思路的正确性和可行性,为下一步利用实际的左手介质实现微带天线小型化提供了理论支持。其次,本文针对电小尺寸的腔体型左手介质展开研究,在9.2~11.8 GHz频带上设计出电尺寸仅0.11个工作波长的左手介质单元,比国际上已发表的最优结果缩小了41%。该研究利用双负特性和后向波特性验证了该电小尺寸左手介质设计的正确性。通过将左手介质单元周期地嵌入基板方式,构成了具有相位补偿效应的后向波基板,首次应用实际的腔体型左手介质而不是纯粹的理论数学模型,将普通半波贴片天线的长度缩减了66%,突破了传统的半波长的尺度限制,获得了与理论预测完全吻合的近场分布和远场辐射特性。最后,针对左右手复合传输线辐射性能存在的缺陷,本文结合Split Ring Resonators(SRR)结构的降频技术以及Defected Ground Structure (DGS)结构的并联电感效应,分别设计出两种新颖的分布式平面型左手介质微带线:双层SRR/DGS型和小型化SRR/DGS型。通过分别计算左手介质微带线单元的有效介电常数和有效磁导率,证实了双负特性;利用小型化SRR/DGS型左手介质微带线的八元阵列的后向波效应,验证了该分布式左手介质设计的正确性。该小型化SRR/DGS型左手介质微带线结构简单、便于加工,电尺寸仅0.04个工作波长,比传统的左手介质微带线缩小了60%。将上述小型化SRR/DGS型左手介质微带线直接加载于微带环形天线,结果发现环形天线的长度比常规环形天线减小了26.5%,占用面积比常规环形天线缩小了近54.6%。本文在综合阐述了基于左手介质后向波效应的小型化理论研究的基础上,对工程实现方法以及应用途径提出了新的见解,将进一步加快左手介质向实用阶段前进的步伐,对该领域的研究工作具有重要的参考意义和实用价值。