可重構人工電磁媒質理論與應用關鍵技術.pdf

1、新型人工電磁媒質（Metamaterials），亦被廣泛稱為電磁超材料，是目前電磁理論和信息科學的研究熱點。Metamaterials的出現(xiàn)為人們設計可控的介電常數(shù)和磁導率材料提供了廣闊的空間，為調(diào)控電磁波的傳輸提供了新的方法和手段，產(chǎn)生了很多新概念和應用的潛在可能性。近年來，隨著認知無線電技術、微電子技術、計算機技術的發(fā)展，實時電路可重構技術也被引入新型人工電磁媒質領域，以滿足人工超材料對環(huán)境變化和應用對象變化的適應性要求，該方向正逐

2、漸發(fā)展成為電磁超材料研究的另一個熱點領域。本文圍繞可重構新型人工電磁媒質的理論和應用關鍵技術展開研究，解決了目前可重構人工電磁媒質研制中的一些關鍵問題，提出了“通用型”人工電磁媒質的設計思想，并針對未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展研發(fā)了新型超材料天線。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴闡述了人工電磁微結構的等效媒質模型理論和局域諧振機理，基于等效電路和散射參數(shù)反演算法，構建了一座聯(lián)系人工超材料單元拓撲結構、等效集總電路以及等效電磁場媒質參數(shù)ε和μ

3、的橋梁，這是路與場的相互作用和統(tǒng)一，為加載微波控制元件和可重構人工電磁超材料的研究奠定了理論基礎。⑵基于實時電路可重構技術，提出頻率可重構的磁負媒質模型（SSRR）和電負媒質模型（DELC），系統(tǒng)地研究了外部控制電路和器件對兩種基本單元模型的調(diào)控機理，創(chuàng)新性地提出了頻率可重構的雙負媒質單元模型（RDNG）。該模型結構簡單，調(diào)控容易，可作為通用型人工媒質的基本設計單元（Building block）。⑶提出可重構電磁帶隙EBG結構的創(chuàng)新設

4、計。采用微波變?nèi)荻O管和PIN開關等調(diào)控器件加載在緊致型Mushroom EBG結構上，實現(xiàn)表面波抑制帶隙和平面波同相反射帶的靈活調(diào)控，用同一物理結構尺寸的EBG模型產(chǎn)生寬帶隙、多帶隙以及超寬帶隙特性，以及實現(xiàn)頻率和極化同時可重構的新型人工磁導體表面。本文設計加工了一套可重構EBG原型樣品系統(tǒng)，包括變?nèi)荻O管陣列、蘑菇型 EBG陣列、單片機控制直流偏置電路板以及自動控制軟件。該系統(tǒng)可根據(jù)外部動態(tài)需求，通過軟件編程控制變?nèi)荻O管陣列，有效

5、調(diào)控電磁帶隙特性。實驗測試結果成功驗證了可重構EBG板的帶隙可調(diào)特性，以及多功能可重構電磁帶隙材料系統(tǒng)設計的正確性和有效性。⑷提出“通用”人工電磁超材料單元的創(chuàng)新設計。以集成PIN開關的可重構SSRR和DELC為基本單元構建了通用的超材料單元結構（UME），根據(jù)外部直流偏置控制其反向截止或正向導通，可分別實現(xiàn)常規(guī)右手媒質、磁負媒質、電負媒質以及左手雙負媒質四個象限材料特性之間的相互轉換。以此UME單元作為基本的Building bloc

6、k，理論上可以構建任意的新型人工電磁材料參數(shù)，而且具有動態(tài)可調(diào)特性。⑸在可重構電磁帶隙EBG的設計基礎上，提出了吸波頻帶可調(diào)的超材料薄層吸波結構。提出Jerusalem縫隙加載的新型薄層吸波結構，從理論和實驗研究了其結構參數(shù)對吸波頻帶的調(diào)控特性。通過并聯(lián)加載變?nèi)荻O管和損耗電阻可有效調(diào)控吸波頻帶，達到近似完美的跳頻吸波特性，在此基礎上，還提出了可重構巢型寬帶吸波結構的設計構想，具有重要的應用前景。⑹針對未來無線通信系統(tǒng)對新材料、新天線和

7、新器件的迫切需求，重點研究新型人工電磁媒質在寬帶、小型化、高增益天線的創(chuàng)新應用。提出了基于人工電容性表面的超寬帶PIFA天線，仿真和實驗結果證實了其優(yōu)良的超寬帶工作特性。研究超材料覆層高增益天線的F-P諧振腔作用機理。提出可重構CRLH超材料天線設計，具有靈活調(diào)控零階諧振頻率的優(yōu)點，可根據(jù)通信信道的需求靈活實現(xiàn)寬帶/多帶天線設計，而且具有結構簡單、尺寸小型化和性能優(yōu)良的特性，這為下一代無線移動通信終端高性能、小型化、可重構天線的設計開發(fā)