近年来,随着短距离无线接入、无线局域网技术的发展,超宽带技术(Ultra-wide band , UWB) 成为目前通信领域的一个研究热点。2002年2月,美国联邦通信委员会(FCC)通过决议[26],规定了3.1GHz一10.6GHz作为超宽带系统的工作频谱范围,同时规定UWB系统除了用于雷达、安全应用等领域外,还可以应用于车载雷达系统、数字通信与测量系统以及成像系统等商用、民用领域,这给超宽带通信技术带来了无穷的发展机会,引起了工业界、学术界的极大研究热情。除了上述超宽带的定义之外,还有两种比较通行的定义方式[27],即规定系统相对带宽大于0.20时或者信号的绝对带宽大于等于500MHz时,这个系统可以称之为超宽带系统。超宽带技术具有许多目前窄带通信系统所不具备的优势,比如成本低、复杂性低、输入信号的能量密度很低、具有较高的时域分辨率 (time domain resolution)等[29]。随着超宽带系统的进一步发展,尤其是对于保密要求的提高,以及现代通信频谱的密集化分布,使得超宽带通信系统比较容易受到一些临近频段的干扰[28],这些潜在的威胁使超宽带器件的设计除了要满足FCC提出的超宽的工作频段的要求外,还希望能够使天线、滤波器等器件根据具体环境滤除一个或若干个干扰波段的影响。因此在实际设计中,要根据情况考虑避免对某些频段的干扰,设计具有滤除特定干扰频段的超宽带器件(Frequency Notched devices) [28,29,30,31]。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)技术是日本学者H.Furuyama在1992年提出,综合了传统矩形波导和微带线优点,具有体积小、重量轻、便于利用微波集成电路(MIC)以及单片微波集成电路(MMIC)的方式进行集成和封装以及品质因数高和便于设计等优点,被广泛应用于滤波器、天线、振荡器等微波平面电路中,成为近年来研究的热点[32]。
1.2 本文的主要工作
由于metamaterial的主要构成单元SRR(split- ring resonators)具有很强的谐振性,而且双环SRR可以表现出两个谐振频率点,因此,本文着重从SRRs的高谐振性入手,将SRRs作为天线的辐射单元,用双环SRRs实现双频带贴片天线。
具体工作安排如下:
(1) 绪论。大概讲述了人工电磁介质(metamaterial)的发展历史及其研究的科学意义,介绍本文工作安排。
(2) 详细阐述人工电磁介质(metamaterial)的各种不同于一般材料的性质。
(3) 介绍组成人工电磁介质的各种谐振单元在微波器件和天线中的应用,并着重介绍了SRRs在双频带贴片天线中的应用。
(4) 给出用SRRs实现结构紧凑,高辐射效率的双频带天线的设计及仿真过程,并对各种图示进行了原理上的阐述。
(5) 结束语。给出了本文工作的结论以及有待进一步研究的部分。
2 人工电磁介质的性质
2.1 右手材料中电磁波的传播
为了便于比较,现结合《电动力学》课程的知识,首先给出常见的右手征介质中电磁波的传播性质。对于平面单色波,电场 为
(1)
另外,可以由 给出磁场 ,其中波矢 , 为波速, 代表波传播方向。
(ⅰ)由横波条件 、 给出 ,即电磁波为TEM波。
(ⅱ)由 可知 ,且 沿 的方向; 三者的方向满足右手螺
旋关系,如图1所示。
(ⅲ) 与 同相位,大小成比例: 。
此外,由于 , ,介质表现出色散性,不同频率的电磁波在同一种介质中传播时有快波、慢波之分。
对于平面波,因为 ,即 ,有能量密度 ,表明电场能量密度等于磁场能量密度,所以总能量密度为
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