论文部分内容阅读
电磁超材料(Metamaterial)作为一种具有许多常规媒质不具备的奇异特性的人工媒质，受到了越来越广泛的关注。本文根据电磁超材料的设计理论，设计了高度亚波长小型化的单负、双负电磁超材料，并将其应用于无线能量传输系统中，提高无线能量传输的距离和效率；又从理论方面入手，研究不同种类理想近零折射率材料的等效媒质特性，并将其用于构成高指向性天线的覆层，研究其对天线性能的影响；最后用实际拓扑结构实现了几种近零折射率电磁超材料，并作为覆层与微带天线构成高增益覆层天线，研究其对微带天线性能的改善。本文的主要工作和研究成果包括以下方面：首先，设计了一种两面均为平面螺旋结构的磁导率为负（MNG）电磁超材料，其波长和尺寸比大于307，具有亚波长小型化的特点；又基于MNG电磁超材料的设计方法设计了一种一面为平面螺旋、一面为金属弯折线的双负（DNG或NRI）电磁超材料，其波长与尺寸之比大于253，也具有高度小型化的特征，且根据此种电磁超材料的结构特征提出一种简易的测量方法。其次，将所设计的MNG、NRI电磁超材料应用于无线能量传输系统中，用两个耦合环集成一块、两块、三块及四块MNG或NRI电磁超材料单元构成新型无线能量传输系统，此系统工作于磁谐振耦合机制，当两个耦合环间距离为140mm时，集成三块电磁超材料单元的传输系统与只有两个耦合环组成的无线能量传输系统相比，其传输系数S21从-32.4dB增加到-5.1dB，提高了27.3dB。第三，从理论方面入手，研究了几种近零折射率材料的等效媒质特性，研究发现，对于由介电常数近零（ENZ）的近零折射率材料不完全填充的一个区域而言，其E面电场主要通过近零折射率材料来传输；而对由磁导率近零（MNZ）的近零折射率材料不完全填充的一个区域而言，其H面磁场主要通过近零折射率材料来传输；而对于由介电常数和磁导率双近零（DNZ）的近零折射率材料不完全填充的一个区域而言，其E面电场和H面的磁场都主要通过近零折射率材料来传输；将理想近零折射率材料用作微带天线的覆层构成高指向性天线，ENZ近零折射率材料的覆层将对天线的E面方向图进行压缩汇聚，MNZ近零折射率材料的覆层将对天线H面方向图进行压缩汇聚，而DNZ近零折射率材料将对E面和H面方向图同时进行压缩汇聚，因此方向性提高。第四，用实际拓扑结构实现了几种近零折射率电磁超材料，将其应用于高增益覆层天线，实测与理论研究吻合良好；在基板的一面刻蚀Fishnet嵌套方形贴片结构，另一面刻蚀Fishnet结构将使电磁超材料的相对介电常数和相对磁导率同时近零，因此实际增益有6.8dB的提高。