可重構(gòu)人工電磁媒質(zhì)理論與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù).pdf

1、新型人工電磁媒質(zhì)（Metamaterials），亦被廣泛稱為電磁超材料，是目前電磁理論和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。Metamaterials的出現(xiàn)為人們設(shè)計(jì)可控的介電常數(shù)和磁導(dǎo)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(yīng)用的潛在可能性。近年來，隨著認(rèn)知無線電技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)電路可重構(gòu)技術(shù)也被引入新型人工電磁媒質(zhì)領(lǐng)域，以滿足人工超材料對環(huán)境變化和應(yīng)用對象變化的適應(yīng)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(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文圍繞可重構(gòu)新型人工電磁媒質(zhì)的理論和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)展開研究，解決了目前可重構(gòu)人工電磁媒質(zhì)研制中的一些關(guān)鍵問題，提出了“通用型”人工電磁媒質(zhì)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的等效媒質(zhì)模型理論和局域諧振機(jī)理，基于等效電路和散射參數(shù)反演算法，構(gòu)建了一座聯(lián)系人工超材料單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、等效集總電路以及等效電磁場媒質(zhì)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(gòu)人工電磁超材料的研究奠定了理論基礎(chǔ)。⑵基于實(shí)時(shí)電路可重構(gòu)技術(shù)，提出頻率可重構(gòu)的磁負(fù)媒質(zhì)模型（SSRR）和電負(fù)媒質(zhì)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(jī)理，創(chuàng)新性地提出了頻率可重構(gòu)的雙負(fù)媒質(zhì)單元模型（RDNG）。該模型結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)控容易，可作為通用型人工媒質(zhì)的基本設(shè)計(jì)單元（Building block）。⑶提出可重構(gòu)電磁帶隙EBG結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)

4、計(jì)。采用微波變?nèi)荻O管和PIN開關(guān)等調(diào)控器件加載在緊致型Mushroom EBG結(jié)構(gòu)上，實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)頻率和極化同時(shí)可重構(gòu)的新型人工磁導(dǎo)體表面。本文設(shè)計(jì)加工了一套可重構(gòu)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(jī)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(shí)驗(yàn)測試結(jié)果成功驗(yàn)證了可重構(gòu)EBG板的帶隙可調(diào)特性，以及多功能可重構(gòu)電磁帶隙材料系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。以集成PIN開關(guān)的可重構(gòu)SSRR和DELC為基本單元構(gòu)建了通用的超材料單元結(jié)構(gòu)（UME），根據(jù)外部直流偏置控制其反向截止或正向?qū)ǎ煞謩e實(shí)現(xiàn)常規(guī)右手媒質(zhì)、磁負(fù)媒質(zhì)、電負(fù)媒質(zhì)以及左手雙負(fù)媒質(zhì)四個(gè)象限材料特性之間的相互轉(zhuǎn)換。以此UME單元作為基本的Building bloc

6、k，理論上可以構(gòu)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(gòu)電磁帶隙EBG的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了吸波頻帶可調(diào)的超材料薄層吸波結(jié)構(gòu)。提出Jerusalem縫隙加載的新型薄層吸波結(jié)構(gòu)，從理論和實(shí)驗(yàn)研究了其結(jié)構(gòu)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(dá)到近似完美的跳頻吸波特性，在此基礎(chǔ)上，還提出了可重構(gòu)巢型寬帶吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，具有重要的應(yīng)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(diǎn)研究新型人工電磁媒質(zhì)在寬帶、小型化、高增益天線的創(chuàng)新應(yīng)用。提出了基于人工電容性表面的超寬帶PIFA天線，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(jī)理。提出可重構(gòu)CRLH超材料天線設(shè)計(jì)，具有靈活調(diào)控零階諧振頻率的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)通信信道的需求靈活實(shí)現(xiàn)寬帶/多帶天線設(shè)計(jì)，而且具有結(jié)構(gòu)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(gòu)天線的設(shè)計(jì)開發(fā)