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左手超材料是一种新型的人工材料,它具有与传统右手材料所截然不同的奇异特性。基于这些奇异特性,科学家发现左手超材料在天线、雷达、光学领域等都有着极大的应用前景。本文主要在左手超材料结构以及其在天线的应用方面展开了研究,研究内容主要包括:1、研究了左手超材料结构的发展历程以及目前的研究现状,然后介绍了左手超材料的工作原理并用公式推导的方式解释了材料的负折射效应、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射效应等奇异特性的实现原理,然后论文重点介绍了使用周期性金属开口谐振环与周期性金属棒阵列形成的左手超材料结构。2、本文设计出一款圆环型左手超材料结构,仿真提取得到结构的等效电磁参数,得出结构在3.36GHz-3.69GHz频段之间具有负介电常数与负磁导率特性,负折射率频段为3.36GHz-3.97GHz,峰值负折射率为-5.58,对应频点为3.36GHz。为了使天线小型化增添一种新的解决方案,论文使用该结构优化设计了一款加载左手超材料的单极子微带天线,对比原始天线,优化后天线的谐振频点由原来的3.75GHz降低到3.34GHz,并且在更低的2.3GHz频点处产生了一个新的谐振频带。然后论文研究了左手超材料结构的结构参数与天线优化效果之间的关系,并使用等效电路理论从原理上分析出两者之间的关系,分析结果与仿真结果相对应。为了进一步降低频点,论文在单面左手超材料的基础上优化设计了一款双面左手超材料结构,并且使用双面结构优化设计了加载左手超材料结构的天线。对比加载单面结构的天线,加载双面结构的天线其谐振频点进一步降低。论文最后制作出天线实物进行测试,测试结果与仿真结果一致,但由于制造精度等问题,测试结果与仿真结果有细微的出入。3、然后本文设计了一款十字风车型的单面左手超材料结构,使用等效电路理论分析推导得到结构的特性参数与结构物理参数之间的关系式,然后为了验证理论猜想,论文使用仿真软件仿真得到结构的二端口S参数,然后提取得到结构的等效电磁参数,证明了结构在7.62GHz-8.14GHz频段之间具有负介电常数与负磁导率特性,在7.37GHz-8.91GHz频段之间具有负折射率特性,并且改变结构相应参数,得到结构的谐振频点变化曲线,与理论推导结果一致,证明了结果的正确性。