【摘 要】
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人工电磁超材料近几年来成为物理学、光学和电磁学等领域的一个重要研究方向。超材料指的是由单元结构按照一定规律周期性排列而成的人造材料,具有很多一般天然材料不具备的独特的电磁性能。人们可以通过调节超材料单元的结构和尺寸来改变它们的电磁参数,从而方便调控电磁波的传播。目前,超材料已被广泛应用于各种微波器件和电磁设备中实现多种功能。介电常数趋于零（Epsilon-Near-Zero,ENZ）的超材料具有近
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人工电磁超材料近几年来成为物理学、光学和电磁学等领域的一个重要研究方向。超材料指的是由单元结构按照一定规律周期性排列而成的人造材料,具有很多一般天然材料不具备的独特的电磁性能。人们可以通过调节超材料单元的结构和尺寸来改变它们的电磁参数,从而方便调控电磁波的传播。目前,超材料已被广泛应用于各种微波器件和电磁设备中实现多种功能。介电常数趋于零（Epsilon-Near-Zero,ENZ）的超材料具有近零相移,高相速,低折射率等特点,可以实现电磁波的隧穿获得全传输,以及出射电磁波的波前与出射面的形状一致形成波前整形。这些性能使得ENZ超材料可以被用来调控电磁波的传播方向达到定向的目的,并在此基础上设计出高性能的天线和其他电磁设备。本文主要探讨了ENZ超材料的传输特性,设计等效ENZ超材料媒质的方法,以及将它们应用到高定向性天线的设计上。本文的主要研究内容如下:1、构建ENZ超材料的理论模型,仿真说明了ENZ超材料隧道可以实现电磁波的全传输,以及电磁波通过ENZ超材料后其相位与出射面保持一致的现象。2、介绍了金属丝线媒质等效为ENZ超材料的原理和方法,利用电磁参数反演结合仿真研究了金属丝线媒质单元对不同极化电磁波的响应,并在特定频率实现了近零等效介电常数的媒质。3、在周期性狭缝阵列的基础上加载ENZ超材料构建为基于ENZ超材料的透明三明治,在满足阻抗匹配以及符合Drude模型的ENZ超材料的条件下可以获得不同于原有性能的更优越的全传输。在此基础上,构建了含有非均匀厚度ENZ超材料夹心层的平凹透镜天线,实现了全传输频率下将柱面波转化为平面波的高定向辐射。4、构建金属丝线媒质层作为透镜并以微带天线作为馈源,调整参量使透镜在工作频率附近拥有近零介电常数,获得基于金属丝线媒质的透镜天线,能够收窄微带天线的辐射场获得高增益的定向辐射。然后研究了二维金属丝线媒质单元,能够在两个极化方向上呈现近零等效介电常数,将其拓展为二维金属丝线媒质层作为透镜,以同一微带天线作为馈源,并在透镜中心增加另一极化方向的馈源,获得基于金属丝线媒质的双功能天线,调节参量使该天线可以在同一工作频率下实现双功能的高定向辐射。
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