基于电磁超材料的微带天线研究

摘要

超材料(Metamaterials)是一种由亚波长的金属结构周期排列而成的人工复合结构，它能与某些频率的电磁波产生电谐振或磁谐振，从而具有自然界中不存在的特殊电磁特性。科学家们一直致力于将超材料的特殊电磁特性运用到实际工程之中。微带天线作为无线通信系统中最常使用的天线之一，具有结构简单、体积小、质量轻、剖面低、成本低、易于集成和制作等优点。在微带天线的设计和应用方面，超材料显示出了巨大的潜力，比如改善微带天线的辐射性能，以及实现微带天线的小型化等。因此，基于超材料对微带天线进行研究，对改善天线性能、提高通信质量具有深远意义。
　　本文基于电磁超材料对微带天线的设计与应用进行了论述和研究，主要研究内容包括:超材料结构在改善微带阵列天线定向性方面的研究;超材料吸波体在缩减微带天线RCS(雷达散射截面)方面的研究;超材料互补结构在设计多频微带天线方面的研究;以及利用超材料单元结构作为辐射贴片制作全向微带天线方面的研究。
　　本文首先介绍了超材料和微带天线的基本理论，其中重点介绍了超材料单元结构的等效电磁参数的提取方法，并利用文献中的超材料模型对本文中超材料结构仿真方法的正确性进行了验证。其次，在微带阵列天线的阵元之间放置小尺寸的超材料结构，利用超材料结构的陷波特性有效地抑制了天线表面波，进而达到了降低阵元间耦合、改善天线定向性的效果。随后，将超材料吸波体与同轴微带天线共形，在天线的定向性得到较大改善的同时，天线的RCS实现了大幅度缩减，RCS的最大缩减量达到24.4 dB。然后，在普通微带天线的辐射贴片上蚀刻出超材料互补结构，利用超材料互补结构的电磁谐振特性，使得天线在较低频处产生额外的工作频段，从而实现了微带天线的多频化和小型化。最后设计了两款以超材料单元结构作为辐射贴片的多频带全向微带天线，这两款天线的工作频段均是由各自的辐射贴片的磁谐振产生的。实测结果显示这两款天线可工作于移动4G/WLAN/WiMax等频段内，且满足无线传感网络WSN的通信需求。两款天线的其中之一是一款小型化微带天线，其电尺寸仅为0.18λ×0.144λ×0.013λ，电尺寸相比于普通微带天线缩减了40％，有效地实现了微带天线的小型化。
　　以上研究成果可以为电磁超材料在微带天线中的应用以及小型化微带天线的设计提供参考和借鉴。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本文涉及的无线通信协议

1．2 高频仿真软件HFSS介绍

1．3 课题研究背景与意义

1．4 国内外超材料天线的研究现状

1．4．1 超材料吸波体在微带天线中的研究现状

1．4．2 超材料及其互补结构在微带天线中的研究现状

1．5 本论文的主要内容及章节安排

2 超材料、微带天线的基本理论

2．1 超材料基本理论

2．1．1 超材料概念简介

2．1．2 负介电常数、负磁导率实现方法

2．1．3 左手材料的电磁特性

2．1．4 超材料单元结构的等效电磁参数提取

2．2 微带天线的基本理论

2．2．1 微带天线基本概念

2．2．2 微带天线的主要电性能参数

2．3 天线散射基本理论

2．3．1 雷达散射截面

2．3．2 微带天线散射的缩减

2．4 本章小结

3 基于超材料及其互补结构的微带天线研究

3．1 基于超材料结构的微带阵列天线研究

3．1．1 SRR单元结构仿真

3．1．2 SRR周期结构仿真

3．1．3 SRR结构对阵列天线定向性的影响及分析

3．2 基于超材料吸波体的微带天线研究

3．2．1 超材料吸波体结构

3．2．2 GSAM加载于微带天线

3．2．3 RSAM加载于微带天线

3．3 基于超材料互补结构的微带天线研究

3．3．1 金属开口振环结构设计

3．3．2 蚀刻超材料互补结构的微带天线

3．3．3 天线辐射机理的研究

3．3．4 仿真与实测结果

3．4 本章小结

4 基于超材料单元结构的微带贴片天线设计

4．1 基于同向三开口谐振环结构的微带天线设计

4．1．1 同向三开口谐振环结构设计

4．1．2 天线结构设计与对比仿真

4．1．3 STRR天线的尺寸参数对回波损耗的影响

4．1．4 仿真与实测结果

4．2 基于圆形三开口谐振环结构的小型化微带天线设计

4．2．1 圆形三开口谐振环结构设计

4．2．2 天线结构设计与对比仿真

4．2．3 天线辐射机理的研究

4．2．4 CTRR天线的尺寸参数对回波损耗的影响

4．2．5 仿真与实测结果

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢