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近年来,随着无线通信技术的飞速发展,对天线工作性能的要求也越来越高。如何克服微带天线各项性能指标之间的相互制约,同时实现宽频带、高增益、小型化已成为目前通信领域的研究热点。超材料是一种以周期单元结构为基础的人工复合材料,通过对其尺寸及物理结构的设计与优化,可以获得自然媒质所不具有的特殊电磁特性。将其应用于微带天线设计,既能突破天线本身尺寸的限制,又能展宽天线带宽、提高天线增益,因此被认为是最有潜力的设计方案之一。本文研究了几种基于超材料的微带天线,主要内容和创新点如下:1.提出了一种基于弯曲枝节超材料的天线结构。通过在圆形贴片与接地板边缘分别引入多组同向弯曲的枝节状超材料并错开一定的角度,使天线在宽俯仰角平面上实现了全向圆极化辐射,并提高了带宽和增益。实验结果表明,该天线的3-dB轴比带宽为2.05-2.7 GHz(相对带宽为27.4%),可以覆盖其-10-dB阻抗带宽(2.16-2.63 GHz)。另外,天线在50°<θ<130°的平面上都可以实现全向圆极化。2.提出了一种人工负磁导率传输线(Mu-Negative Transmission Line,MNG-TL)结构。通过在人工MNG-TL上蚀刻哑铃型缺陷,并在接地板上蚀刻窄缝隙,实现了零阶和一阶双频谐振。利用该人工MNG-TL设计了一个双频带圆极化天线。通过在接地板边缘引入两根并行排列的枝节,使天线在双频带处都实现了圆极化。实验结果表明,该天线3-dB轴比带宽分别为2.33-2.58 GHz和3.35-3.62 GHz。同时,在上述两个频段,天线分别在30°<θ<60°和30°<θ<40°的俯仰角平面上都可以实现全向辐射。3.提出了一种双层超表面结构。通过在辐射贴片顶端和底端分别引入蚀刻了圆弧形缝隙的超表面和环状金属带超表面,构成双层超表面结构。利用该超表面设计了一个低剖面小型化宽带天线。通过将其上层超表面作为辐射单元,下层超表面作为接地板,展宽了天线的带宽并提高了增益。实验结果表明,该天线-10-dB阻抗带宽为2.57-4.12 GHz,相对带宽为46.3%,最大增益为4.17 dBi。4.设计了一种加载双层超表面的宽带阵列天线。通过在介质背面中心位置蚀刻与正面阵列单元结构相同、方向垂直的圆形缝隙,展宽了阵列带宽。进一步通过在阵列天线上加载双层超表面结构,提高了其增益。实验结果表明,该辐射阵列的工作带宽为2.04-3.74 GHz,相对带宽为58.8%。加载双层超表面后,阵列天线最大增益提高至9.7 dBi。