【摘 要】
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超材料是近些年人们新提出来的一个概念,指具有自然界中常规媒质所不具备的超常物理特性的人工复合媒质或复合结构。电磁学领域中主要应用其调控电磁波的幅度相位。理论上,通过合理设计超材料单元结构及整体单元分布,可以灵活改变其等效媒质局部乃至整体的电磁响应特性,发展成熟后能够按照人们的意愿实现各种材料功能,电磁结构设计的灵活性将大大提升,这是传统天线/微波器件所无法实现的。电磁波的极化态调控在很多领域有广泛
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超材料是近些年人们新提出来的一个概念,指具有自然界中常规媒质所不具备的超常物理特性的人工复合媒质或复合结构。电磁学领域中主要应用其调控电磁波的幅度相位。理论上,通过合理设计超材料单元结构及整体单元分布,可以灵活改变其等效媒质局部乃至整体的电磁响应特性,发展成熟后能够按照人们的意愿实现各种材料功能,电磁结构设计的灵活性将大大提升,这是传统天线/微波器件所无法实现的。电磁波的极化态调控在很多领域有广泛应用,如:军事领域电子对抗中机载天线对雷达波极化态的选择;民用领域中在通信、医疗及环境监测等方面都有重要体现。而Vivaldi天线在卫星通信、导弹追踪以及探测雷达等领域应用广泛。因此本文围绕超材料结构用于极化转换器及高增益宽带Vivaldi天线展开研究,主要内容概括如下:1、研究课题背景及基础理论介绍。主要包括超材料概念的阐述、发展及在天线领域的应用,基于等效媒质对其分类阐述,等效媒质参数反演方法及验证,电磁波极化定义等。2、基于超材料设计极化转换器。讨论分析了对称双开口谐振环在不同极化电磁波激励下的电磁响应特性;基于45°开口谐振环与极化栅结构,结合类法布里-珀罗腔思想构造了一款双层线极化转换器,仿真显示其工作频段为6.51～7.25GHz,交叉透射系数为0.72～0.75,明显偏低;对结构各部分拆解分析,发现是谐振环对电磁波极化转换性能差导致,据此提出三层极化转换器,结果显示工作频段不仅展宽至6.39～7.24GHz,交叉透射系数亦提升至0.97,且在谐振点6.72GHz处可达0.9954。3、探索研究了光控可重构超材料的设计。对可应用于天线设计的光控技术进行调研;基于前文三层极化转换器的研究,在极化栅中嵌入光控开关形成金属网栅结构。最终通过有无外部光源激励,该结构可实现透射极化转换与全反射不同功能的可重构,透射极化转换时6.47～7.21 GHz频段内交叉透射系数大于0.98,全反射时5～9GHz内同极化反射系数无限逼近1;同时由于超材料结构的特异性,通过调控其椭圆谐振环短长轴长度比可实现其极化转换特性的频率调控。4、研究近零折射率超材料用于改善Vivaldi天线增益及端射性能。首先通过边缘加载槽缝,设计了一款工作于S与C波段的小型化Y-Vivaldi天线(0.36??0.38?);之后设计嵌套开口谐振环(DSRR),将其加载于Y-Vivaldi天线,分析不同加载方式及数目对天线增益及端射性能的改善程度,发现DSRR-Y-Vivaldi天线低频性能提升受限,结合DSRR单独仿真结果,发现该结构在低频存在谐振,故进一步提出一种非谐振平行线近零超材料,结果显示与DSRR-Y-Vivaldi天线相比,其低频性能再次得以提升,最终天线工作频带为2～8GHz,尺寸为0.36??0.38?,频带范围内增益均大于6d Bi,且于6.3GHz处达到最大9.65d Bi,大大提升了传统Vivaldi天线低频增益,同时很好地解决了传统Vivaldi高频方向图分裂及最大辐射方向偏移的问题。
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