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伴随着通信领域技术的快速发展,人们对于高增益、小型化、低成本天线的需求越来越大,研究和开发具有高増益、高方向性、低剖面、平面集成的透镜天线有着重要的理论和现实意义。左手超材料(Left-Handed Metamaterials,LHM)是一种具有自然界物质所不具备的超常电磁特性的复合结构。本文利用左手材料独特的电磁特性,结合基本贴片天线以及Fabry-Perot谐振腔天线的设计优势,提出了三种新型的超材料平面透镜天线,明显改善和提高了传统天线的辐射性能。本文主要的研究工作和成果包含了以下的三个方面:(1)本文基础理论部分研究的是左手超材料单元结构的基本工作原理以及它的谐振工作条件。依据这些基础理论,介绍了一种对口环型的平面左手材料单元,设计上只需要在介质基板单面调节几何参数,即可使材料等效介电常数与等效磁导率同时为负。将左手单元周期排列组成盖板,放置在一般贴片天线上方组成平面透镜天线,使得透镜天线在16.4GHz谐振工作,工作带宽明显增加且增益提高了4.4dB。(2)本文提出了一款将缝隙耦合方形线极化微带天线作为馈源的Fabry-Perot谐振腔天线,作为左手平面透镜天线的馈源。左手单元结构紧贴在F-P天线的辐射口径面上呈周期排列,组成了左手透镜天线。通过优化设计,天线的最高增益达到了21.5dB,提高了8.4dB,3dB波束宽度从43.9°下降到11°。不仅如此,由于左手阵列单元直接覆盖没有产生额外的剖面高度,从而使得F-P谐振腔天线的剖面高度没有增加。(3)通过分离协同设计Fabry-Perot谐振腔天线的馈源和部分反射面,可以将左手单元阵列与一层部分反射面结合为双层结构的平面透镜,从而提高天线辐射性能。本文将左手超材料结构应用到Fabry-Perot天线设计中,实现了天线双频工作的特性,并具有一定的电尺寸小型化效果。与传统Fabry-Perot天线相比,该透镜天线双频带下的工作方向性较好,双层透镜结构紧密相接不存在空气层厚度,降低了结构加工的难度。