新型人工电磁媒质(Metamaterials),亦被广泛称为电磁超材料,是目前电磁理论和信息科学的研究热点。Metamaterials的出现为人们设计可控的介电常数和磁导率材料提供了广阔的空间,为调控电磁波的传输提供了新的方法和手段,产生了很多新概念和应用的潜在可能性。近年来,随着认知无线电技术、微电子技术、计算机技术的发展,实时电路可重构技术也被引入新型人工电磁媒质领域,以满足人工超材料对环境变化和应用对象变化的适应性要求,该方向正逐渐发展成为电磁超材料研究的另一个热点领域。本文围绕可重构新型人工电磁媒质的理论和应用关键技术展开研究,解决了目前可重构人工电磁媒质研制中的一些关键问题,提出了“通用型”人工电磁媒质的设计思想,并针对未来无线通信系统的发展研发了新型超材料天线。本文的主要内容和工作概括如下:1.阐述了人工电磁微结构的等效媒质模型理论和局域谐振机理,基于等效电路和散射参数反演算法,构建了一座联系人工超材料单元拓扑结构、等效集总电路以及等效电磁场媒质参数ε和μ的桥梁,这是路与场的相互作用和统一,为加载微波控制元件和可重构人工电磁超材料的研究奠定了理论基础。2.基于实时电路可重构技术,提出频率可重构的磁负媒质模型(SSRR)和电负媒质模型(DELC),系统地研究了外部控制电路和器件对两种基本单元模型的调控机理,创新性地提出了频率可重构的双负媒质单元模型(RDNG)。该模型结构简单,调控容易,可作为通用型人工媒质的基本设计单元(Building block)。3.提出可重构电磁带隙EBG结构的创新设计。采用微波变容二极管和PIN开关等调控器件加载在紧致型Mushroom EBG结构上,实现表面波抑制带隙和平面波同相反射带的灵活调控,用同一物理结构尺寸的EBG模型产生宽带隙、多带隙以及超宽带隙特性,以及实现频率和极化同时可重构的新型人工磁导体表面。本文设计加工了一套可重构EBG原型样品系统,包括变容二极管阵列、蘑菇型EBG阵列、单片机控制直流偏置电路板以及自动控制软件。该系统可根据外部动态需求,通过软件编程控制变容二极管阵列,有效调控电磁带隙特性。实验测试结果成功验证了可重构EBG板的带隙可调特性,以及多功能可重构电磁带隙材料系统设计的正确性和有效性。4.提出“通用”人工电磁超材料单元的创新设计。以集成PIN开关的可重构SSRR和DELC为基本单元构建了通用的超材料单元结构(UME),根据外部直流偏置控制其反向截止或正向导通,可分别实现常规右手媒质、磁负媒质、电负媒质以及左手双负媒质四个象限材料特性之间的相互转换。以此UME单元作为基本的Building block,理论上可以构建任意的新型人工电磁材料参数,而且具有动态可调特性。5.在可重构电磁带隙EBG的设计基础上,提出了吸波频带可调的超材料薄层吸波结构。提出Jerusalem缝隙加载的新型薄层吸波结构,从理论和实验研究了其结构参数对吸波频带的调控特性。通过并联加载变容二极管和损耗电阻可有效调控吸波频带,达到近似完美的跳频吸波特性,在此基础上,还提出了可重构巢型宽带吸波结构的设计构想,具有重要的应用前景。6.针对未来无线通信系统对新材料、新天线和新器件的迫切需求,重点研究新型人工电磁媒质在宽带、小型化、高增益天线的创新应用。提出了基于人工电容性表面的超宽带PIFA天线,仿真和实验结果证实了其优良的超宽带工作特性。研究超材料覆层高增益天线的F-P谐振腔作用机理。提出可重构CRLH超材料天线设计,具有灵活调控零阶谐振频率的优点,可根据通信信道的需求灵活实现宽带/多带天线设计,而且具有结构简单、尺寸小型化和性能优良的特性,这为下一代无线移动通信终端高性能、小型化、可重构天线的设计开发奠定了超材料理论基础。