基于多开口谐振环的双频左手材料设计

基于多开口谐振环结构,提出一种双频宽带左手材料.结构由正方形谐振环与工字型负载线组合而成,具有频带宽、频率可调与易于加工的特点.通过软件仿真与样品测试提取等效介质参数,结果表明该结构左手频带分别位于7.8~8.2 GHz和8.4~13.4 GHz,左手带宽共计5.4 GHz.相较于传统结构,该结构带宽更宽且在一定范围可对左手频带进行调节.     

基于复合超介质基板的微带天线设计与分析

利用方形开口谐振环、微带线和缺陷地结构建构了一种结构较为简单、便于调节的腔体型结构超介质。仿真结果表明,设计的超介质在1.0~3.6 GHz、3.8~7.1 GHz和7.2~8.0 GHz三个频段内均具有等效介电常数和等效磁导率小于零的左手材料特性。将超介质单元周期性地镶嵌在一种普通多频微带天线的介质基板内,实现了基于复合超介质基板天线。测试结果表明,在工作频率为1.61,3.44和3.9 GHz的微带天线中加载这种超介质结构覆层后,其谐振频率分别降低了60,70和40 MHz,同时将4.53~4.80 GHz和4.97~6.00 GHz两个工作频段扩展为4.6~6.0 GHz的超宽带。所设计的天线整体性能良好,且满足了WLAN在5 GHz通信频段的要求。     

谐振频率可调的开口谐振单环结构

开口谐振单环(Split Single Ring Resonatots,简记SSRRs)和开口谐振环(SRRs)一样可以激励磁谐振,从而实现负的磁导率.提出在SSRRs结构中引入平行于其开口边的金属线的方法设计了新的磁谐振单元,研究了金属线的引入对谐振频率以及负磁导率特性的影响.数值模拟结果表明:随着金属线长度l的增加,SSRRs的谐振频率随之减小;随着金属线与开口边的间距d的增加,SSRRs的谐振频率随之增加.金属线的加入不会对SSRRs的负磁导率特性产生重要影响,改变金属线的结构参数可以实现μ＜0频段的调控.所提出的新的磁谐振单元对于新型负磁导率材料和新型左手材料的设计具有重要的实际意义,也为新型无线通信材料的实现提供了可能.     

具有宽带特性的超材料设计与分析*

分别提出具有宽带负磁导率特性的圆盘结构超材料和具有宽带双负特性的互联圆盘结构左手材料。对任意极化的垂直入射波,圆盘结构超材料可在8.71GHz到15.19GHz的频段上产生负的磁导率,而互联圆盘结构左手材料则可在6.04GHz到7.40GHz的频段上产生双负特性。通过有限元仿真、本构参数提取、表面电流分布计算、结构参数扫描等方法,对圆盘结构进行了详细分析。结果表明,该结构通过外加磁场激励起的电流环路构成磁谐振回路,进而获得负磁导率特性。利用无限划分的方法,分析了该结构实现宽带特性的原理,推导了等效的磁谐振频率和品质因数的计算公式,并给出其等效电路结构。通过参数扫描,分析了贴片半径、基板介电常数、损耗特性和入射角大小对负磁导率特性的影响规律。对互联圆盘结构左手材料,在提取其等效本构参数的基础上,着重分析了电响应特性,详细推导了等效电等离子体频率的计算公式。     

新型结构左手材料的仿真设计与实现

左手材料通过其特殊的结构阵列来实现负的介电常数和磁导率,将之应用到天线罩、滤波器和天线等方面,可以较好地改善特性。2种新型左手材料结构被提出,分别是史密斯方形环的简化形式和P型结构,其中P型结构又包含基本形式与改进形式。针对这2种模型,利用仿真软件进行了仿真设计,发现这2种形式可以在4～6 GHz频段实现负的介电常数和磁导率,其中P型结构实现效果更好。     

基于复合超介质基板的微带天线设计与分析

利用方形开口谐振环、微带线和缺陷地结构建构了一种结构较为简单、便于调节的腔体型结构超介质.仿真结果表明,设计的超介质在1.0～3.6GHz、3.8～7.1GHz和7.2～8.0GHz三个频段内均具有等效介电常数和等效磁导率小于零的左手材料特性.将超介质单元周期性地镶嵌在一种普通多频微带天线的介质基板内,实现了基于复合超介质基板天线.测试结果表明,在工作频率为1.61,3.44和3.9GHz的微带天线中加载这种超介质结构覆层后,其谐振频率分别降低了60,70和40MHz,同时将4.53～4.80GHz和4.97～6.00GHz两个工作频段扩展为4.6～6.0GHz的超宽带.所设计的天线整体性能良好,且满足了WLAN在5GHz通信频段的要求.     

基于超介质的超宽带小型化天线设计

采用SRR 环和CLP 环两种不同谐振单元,构造了一种新型超介质结构单元。该单元的电谐振和磁谐振的谐振频点比较接近,易于频带融合,从而拓展超介质材料双负(介电常数和磁导率都为负)特性的频率带宽。利用加载的方法,在单极子天线上加载该种新型超介质结构单元,以改善天线的辐射特性。利用电磁仿真软件对其进行了仿真设计和优化。仿真结果表明,该天线实现了超宽带工作,在3. 8 ~ 14GHz 的频率范围内,驻波比小于2;同时,天线实现了高增益特性,在整个频率范围内,增益都高于7dB。最后,对天线进行了加工测试,实验测试结果与仿真结果基本吻合,进一步验证了该天线的工作性能。     

基于平面微带结构超介质天线设计与分析

利用开槽曲流技术构建了一种工作频段位于S、C波段内的多频微带贴片天线,根据传统立体左手材料的变型结构设计了一种新型平面微带结构的超介质。在微带贴片天线的介质基板内加载超介质覆层后,天线工作频率降低,频带展宽以及辐射性能得到改善。HFSS和Matlab仿真实验结果表明,新型平面微带结构的超介质在2.7~4.9GHz和5.0~5.5 GHz两个频段内具有等效介电常数和等效磁导率均小于0的左手特性,工作频率在2.66,3.67,4.66和5.49 GHz的微带贴片天线加载超介质覆层后,其谐振频率分别降低了140,140,210和270 MHz,同时4.60~4.78GHz的工作频带展宽了160 MHz。该超介质微带天线可以运用于实际的WLAN或WIMAX通信中。     

双层新型左手超介质覆层在WLAN天线中的应用

研究加载左手超介质覆层对天线性能改进为目的,基于传统的开口谐振环和金属杆的变形组合,设计出一种等效介电常数和磁导率均小于0的多左手频带超介质覆层。将此覆层加载在工作频段为5.15-5.35GHz,5.725-5.825GHz的WLAN微带天线上,天线工作频率降低且辐射方向图得到了良好的改善。HFSS和MATLAB仿真结果表明,设计的左手超介质覆层在2-3.5GHz, 3.8-7.3GHz和7.5-12GHz三个频段具有左手特性,WLAN双频天线在加载双层左手超介质覆层后,工作频率分别降低了0.04GHz和0.09GHz,其最大增益分别提高了1dB和1.4dB,从而验证了设计的正确性。同时为设计性能更为优良的左手超介质覆层天线提供了新思路。     

基于复合左右手传输线的超宽带滤波器设计

本文基于复合左右手传输线理论提出了一种设计超宽带滤波器的新方法。该方法从传输的幅度和相位出发,利用微带线结构构建复合左右手传输线,通过控制复合传输线的左手响应频率和右手响应频率来构建微波带通结构。通过在微带线上采用缺陷地板结构物理上实现负等效介电常数,得到低通特性;采用微带线加载交指电容实现负等效磁导率,得到高通特性。最终通过将两种情况组合,构建具有较强左手特性和较弱右手特性的复合传输线,完成基于微带线结构的超宽带滤波器设计。文中给出的仿真结果和实测结果吻合良好,有利的证明了该方法的有效性和实用性。     

超宽带单极子加载介质谐振器天线的设计

该文设计了一种尺寸小,频带宽,结构简单的单极子陶瓷介质谐振器天线。在单极子天线周围加载一个环形的陶瓷介质谐振器,利用环形谐振器与单极子谐振频率之间耦合来展宽频带。利用仿真软件HFSS建立天线的模型,并对模型进行优化仿真,得到了最佳的天线设计参数,仿真得到的天线频带宽度为0.7～4.6GHz,相对带宽达到了153%,使用矢量网络分析仪对该天线进行测量,实测结果与仿真值基本吻合。     

低谐振频率电磁超材料单元设计与仿真

针对目前人工电磁超材料的谐振频率(吉赫兹(GHz)或太赫兹(THz))较大的问题,该文提出了一种新型尺寸较大的双面螺旋结构单元模型。通过HFSS仿真软件,建立了电磁超材料单元模型,分析了结构单元的S参数。采用Smith提取算法,得出了等效介电常数和等效磁导率的数学表达式。仿真结果表明,在2.0～2.1 MHz时,等效介电常数恒正,等效磁导率实部达到负极值,而等效磁导率的虚部也达到了最大值,即该频段为材料板的谐振频段,呈磁单负材料属性。     

基于3D打印技术的宽带圆形微带天线

该文介绍了一款环形耦合的圆形贴片天线。采用圆形金属贴片作为天线的辐射贴片,通过在介质板上引入两个谐振环,产生两个新的工作谐振频段。通过调节圆形贴片和耦合环之间的高度,进一步拓宽了天线的工作频段。通过3D打印技术对不规则的介质基板进行加工制作,有效解决了传统加工方法加工难度大及生产周期长的问题。测试结果表明,该天线在3.8～5.8 GHz工作频段内,回波损耗小于-10 dB;在5.1 GHz时,天线增益达到8.4 dBi;天线相对带宽为42%,且具有良好的全向辐射特性。天线的测试结果与仿真结果基本吻合。     

Left handed coplanar waveguide band pass filters based on bi-layer split ring resonators

A new type of compact band pass filters based on planar structures with three metal levels is proposed. The central layer consists on a coplanar waveguide (CPW) with periodic wire connections between the central strip and ground planes. In the upper and lower metal levels, split ring resonators (SRRs) are etched and aligned with the slots. The wires make the structure to behave as a microwave plasma, with a negative effective permittivity covering a wide frequency range. SRRs, which are magnetically coupled to the CPW, provide a negative magnetic permeability in a narrow frequency range above their resonant frequency. The result is a band pass structure which supports wave propagation in a frequency interval where negative permittivity and permeability coexist. The bandwidth of the structure can be controlled by tuning the resonant frequency of the upper and lower SRRs and the distance between SRRs. Fabricated prototype devices exhibit very low insertion losses in the pass band (<1.5 dB) and high frequency selectivity.     

Concurrent 60/94 GHz SIR Based Planar Antenna for 5G/MM-Wave Imaging Applications

The present research work aims towards the design of a stepped impedance resonator (SIR) based dual band antenna having resonant frequencies at millimeter wave: V band (center frequency: 60 GHz) and W band (center frequency: 94 GHz). The structure comprises of stepped impedance resonator (SIR) patch, two stepped section impedance matching network and a microstrip feedline. The fractional bandwidth of the proposed dual band antenna is 2.9 GHz (4.8%) and 6.25 GHz (6.6%) at 60 and 94 GHz, respectively. The far field polar plots show broadside radiation pattern having gain of 7.9 dBi at 60 GHz and 4.2 dBi at 94 GHz. Further, as a testimony of this concept, scaling principle was used and accordingly microwave scaled antenna was devised. The prototype scaled hardware results matched closely with the designed mm-wave antenna. Further, the proposed dual frequency antenna finds enormous applications towards development of pioneering millimeter wave systems like; 60 GHz is focused on multi gigabit WPAN communication and 94 GHz frequency is currently extensively used for millimeter wave imaging applications. The proposed design is very simple, conformal and easily extendable as an array for MMIC applications for compact frontend design.

     

适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计

为满足主流物联网通信技术的应用需求,提出一种新型的矩形微带单极天线,适用于多频段通信,如射频识别、全球定位系统和无线局域网等。该矩形微带天线由一个带两个U形槽的矩形贴片和一个带两个长方形槽的接地面组成,具有四个工作频段,当谐振频率分别为1.22GHz, 2.47GHz, 3.61GHz和5.60 GHz时,相对带宽为25.7%（1.12~1.45 GHz）、25.3%（2.24~2.89 GHz）、15.7%（3.40~3.98 GHz）以及13.6%（5.21~5.97GHz）。仿真与实测结果显示,该天线的工作频段数量更多且相对带宽更高,在各工作频段内具有良好的全向辐射特性。     

Dual band microstrip patch antenna array loaded with split ring resonators and via holes

Reduction in antenna size by using multi-band radiators play a vital role in the miniaturization of present world wireless handheld devices, as dual band behaviour of the antennas result in the integration of more than one communication standard in a single system and thus, saving the installation space required for separate antennas. In this context, this communication presents a shorted-pin dual band metamaterial inspired microstrip patch antenna array. Under the unloaded conditions, the traditional patch antenna array resonates at 5.8 GHz with gain of 9.8 dBi and bandwidth of 540 MHz. However, when each patch of this traditional antenna array is loaded with split ring resonator (SRR) and a metallic via hole is introduced in the patch, the same antenna array produces an additional resonant frequency in IEEE 802.11b/g/n 2.45 GHz Wi-Fi band with bandwidth and gain of 290 MHz and 5.6 dBi, respectively, while the initial resonant frequency (i.e. 5.8 GHz) gets shifted to IEEE 802.11ac 5 GHz Wi-Fi band, providing the gain and bandwidth of 11.4 dBi and 510 MHz, respectively. The proposed antenna array has been fabricated, and the measured results are presented to validate the proposed array. Moreover, the equivalent circuit of the proposed antenna array has been designed and analyzed to validate the simulated, measured and theoretical results. Attainment of dual band characteristics by incorporating the metamaterial with single band traditional patch antenna array makes this structure novel, as this has been achieved without any extra hardware cost, size and loss of structural planarity. Also, both the frequency bands of this proposed metamaterial inspired antenna array possess considerable gain and bandwidth.