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天线是无线通信系统必不可少的重要组成部分,随着无线通信技术的迅猛发展,对天线性能的要求也越来越苛刻。电磁超介质(Metamaterials)是一种人工复合结构或复合介质,具有传统介质所不具备的超常物理性质,存在诸多奇异特征,它为设计高性能天线提供了一把新的“科学利刃”。 对电磁超介质的研究主要包括左手材料、复合左/右手传输线和光子晶体等方面。本论文主要研究左手材料和复合左/右手传输线理论,并将它们应用到天线设计中,分析电磁超介质这一新型材料对提高天线乃至微波器件性能的意义与价值。 论文首先对天线设计中的电磁超介质、零折射率左手材料、电磁超介质传输线理论进行了系统性的介绍与分析。 基于超介质左手材料的零折射率特性、变形的周期性细金属棒阵列结构和等离子体效应的等效介电常数理论模型,设计了一款新型的金属棒阵列超介质覆层加载天线。该超介质覆层将偶极子天线的增益提高5dBi以上,验证了用该理论模型对此类天线进行设计的可行性。为了进一步拓宽天线工作带宽,在之前设计的新型天线基础上,设计了一种短截金属棒阵列超介质覆层加载天线,该天线具有高增益、全向性和宽频带等特点,在2.3~2.5GHz频率范围内增益峰值高达8.1dBi,该天线可适用于高速无线网络通信。为了更好的实现天线小型化,采用铁氧体磁芯线圈插入金属棒阵列,设计了一种新型铁氧体填充超介质覆层天线结构,该超介质覆层结构加载能有效地提高偶极子天线的增益,显著缩减天线的电尺寸。 其次,在复合左/右手传输线基础上,从天线的π型等效电路出发,设计了一款可应用于 WiFi/WiMAX的三频超介质加载微带天线,它工作于2.36~2.63GHz、3.3~4.0GHz和4.95~6.12GHz频段范围。测试结果表明,该天线相对传统的三频段微带天线而言,具有尺寸小、带内增益平坦度好的优点。 最后,对完成的具体研究内容及创新之处进行总结,提出了进一步探索与研究的设想。