基于人工电磁媒质的宽带电小天线及阵列技术研究

人工电磁媒质由于介电常数和磁导率均为负值，以致呈现出负折射率、相位超前、聚焦等独特的物理特性，利用其对实现电小天线的宽频带、小型化、高增益有着极其重要的研究意义和应用价值。本项目的研究目标是开展基于人工电磁媒质的电小天线研究。主要对基于人工电磁媒质的单层、多层空间匹配层电小天线，基于人工电磁媒质特性的左手、左右传输线电小天线，基于人工电磁媒质的宽带有源电小天线，基于左右手媒质的电小天线阵列展开一系列研究，建立一套完整的理论体系和设计方法。并结合分形技术争取能在几十MHz～千MHz频段天线小型化、宽频带、高增益及阵列等技术方面取得新的重大突破，以满足移动通信，无线局域网，全球定位系统，射频识别技术，无线传感等无线通信系统以及军事通信对天线小型化需求。

电小天线及阵列技术已成为突破无线通信技术发展瓶颈的主攻方向，在对电小天线的设计和研究中，要解决的关键问题是在小型化基础上实现其宽频带、高增益和特定波束等特性，解决的途径主要从天线的结构、形状、材料特性和宽带匹配技术等方面着手。利用天线的结构、形状、材料特性展开研究是近年来电小天线研究的热点和难点，目前研究方法和理论很多，如可重构技术、分形技术、等离子体技术等，但这些技术在频段、结构和方式的实现上各有其缺陷性，人工电磁超介质的提出为我们实现天线的小型化提供了一条新途径。该项目研究中，（1）利用人工电磁超介质的左手特性及二次聚焦特性推导出电小天线被超介质层包裹时的辐射特性和满足电磁波完全遂穿超介质层的条件，利用等效电路法推导出天线被超介质层包裹时的阻抗和谐振特性，提出了一套基于人工电磁超介质层的电小天线设计方法；（2）研究了左手/左右手传输线结构的传输特性，利用复合左右手传输线的等效LC网络模型推导出复合左右手传输线在周期性和非周期性结构下的色散、相移和谐振特性，提出了基于复合左右手传输线的电小天线宽带实现方法；（3）利用分形曲线的空间填充性和光子带隙思想，提出了一种基于嵌入式匹配的Hibert分形宽带电小天线模型；利用奇-偶模理论推导出基于复合左右手传输线的小型化功分器传输特性，利用左右手传输线的相位响应推导出恒定相位情况复合左右手移相器的宽带小型化实现条件；在此基础上提出了复合型阵列天线结构，并基于正弦差值函数与点匹配法的矩量法对阵列天线进行波束赋形分析，实验结果表明该方法对实现阵列天线宽带小型化优势明显；（4）基于非福斯特电路的负阻抗变换特性，分析了有源电小天线的宽带匹配网络实现形式，为基于人工电磁超介质电小天线的宽带化提供了新的思路。