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电磁超介质是指某种与自然介质物理特性迥然不同的人工复合材料。近几年,随着技术的进步,电磁超介质在国内外迅速成为物理学和电磁学的研究热点。电磁超介质的研究成为电磁学理论史上的重要事件,为经典电磁理论开辟了新空间,其独特的性质也促进了新的应用和发展。而PIFA天线作为一种广泛应用于移动终端的天线,在无线通信中的扮演着重要的角色。本文将电磁场超介质的独特性质应用于PIFA天线中,提高天线的性能以满足无线通信要求。
本文主要研究了电磁超介质中的两种类型:微波光子晶体和左手材料。首先简单介绍了光子晶体、左手材料和PIFA天线的相关理论和基本特性。然后设计和研究了单平面紧凑型微波光子晶体(UC-EBG)和开口谐振环(SRR)型左手材料这两种基本结构的电磁特性。最后将电磁超介质结构应用于三种不同类型的PIFA天线中,结果表明,文中所设计的微波光子晶体和左手材料,可以增大天线的带宽、改善天线的阻抗匹配、提高天线的方向性和辐射增益。论文主要的工作及创新点包括以下几个方面:
(1)设计了一款新颖的UC-EBG结构。应用微带悬置线法构建仿真模型,通过仿真结果来分析其电磁特性。UC-EBG结构作为一种新的谐振型微波光子晶体,在一定频段表现为具有同相发射特性,而这种特性用于天线中就可以降低天线的高度,制作低剖面天线。
(2)设计了一种单平面紧凑型微波光子晶体PIFA天线。将已经设计的UC-EBG结构加载到双频U型缝隙PIFA天线中,利用UC-EBG结构在频段内呈现出的理想磁导体的同相反射特性,实现了低剖面天线的低回波损耗、宽带特性。
(3)设计了一种接地板缺陷型微波光子晶体(DGS-EBG)PIFA天线。对加入DGS-EBG结构前后的PIFA天线的性能做了比较,并分析改变DGS-EBG结构周期尺寸和天线高度对天线性能的影响。利用光子晶体的禁带,将DGS-EBG结构加入PIFA天线中,抑制了由于贴片辐射而在基底中激励的表面波,从而改善天线的性能。
(4)分析了SRR型左手材料的电磁特性。应用表面波透射法构建仿真模型,通过NRW方法提取SRR型左手材料结构的等效介电常数和磁导率,分析其呈现双负特性的频带。通过改变SRR型左手材料的几何结构参数,研究其对电磁影响的规律。
(5)设计了一种SRR型左手材料PIFA天线。将交叉结构的SRR型左手材料加载到三频PIFA.天线中,实现了天线的小型化、高指向性、多频段。通过仿真分析,天线的尺寸有一定的减少,带宽明显增加,回波损耗明显降低,在某些频段内呈现后向辐射的特性,在另一些频段中的波瓣宽度变窄,方向性提高。