应用于波束控制的相位梯度超表面的设计与研究

摘要

进入21世纪以来，随着无线通讯领域的发展，天线作为无线通讯系统的接收与发射装置，是无线通讯系统的重要组成部分，天线性能的好坏将直接影响无线通信产品的质量。现如今天线向着小型化、智能化、高增益、宽频段、宽波束等多方面发展，以传统的方法设计将无法满足所有指标。电磁超材料是具有自然界中所不具有的独特物理特性的人造电磁材料，将其加载至天线上，可以很好地改善天线的性能。 二维的电磁超表面相比于三维的电磁超材料具有体积小、损耗低、成本低的优点，使其得到广泛关注和研究。相位梯度超表面作为电磁超表面的一种，通过在界面处引入不同的相位突变，可以实现对电磁波的波前操控。目前根据广义斯涅耳定律，利用相位梯度超表面已经实现了透镜、波束控制、异常反射或者折射以及表面波耦合等多种功能。 本文研究的目标主要是利用相位梯度超表面实现对透射波束的偏转，具体内容包括： 1）介绍了相位梯度超表面和Fabry-Perot谐振腔天线的相关理论，对于相位梯度超表面，介绍了广义斯涅耳定律，具体包括广义斯涅耳折射定律和广义斯涅耳反射定律，以及研究了相位梯度超表面阵列边界条件。对于Fabry-Perot谐振腔天线，介绍了Fabry-Perot谐振腔天线的工作原理。 2）设计了一种能够在C波段内实现波束偏转的多层方形贴片形式的透射型相位梯度超表面。首先分析了多层方形贴片单元结构的透射特性，针对最后一个单元结构的透射系数过低的原因，在最初的单元结构的基础上通过在方形贴片的四个角各开一个倾斜45°的矩形槽来提高其透射系数；在此基础上将设计的相位梯度超表面加载至喇叭天线上，仿真分析了相位梯度超表面的偏转效果；最后将其加工实测，结果发现其能够在5.3GHz~6.3GHz范围内实现25°~30°左右的透射波束偏转。 3）利用相位梯度超表面的思想，设计了一种具有一定相位梯度的电磁超表面结构，并且将其作为Fabry-Perot谐振腔天线的部分反射面。Fabry-Perot谐振腔天线的馈源天线采用传统的微带贴片天线，仿真发现设计的Fabry-Perot谐振腔天线能够在5.7GHz~5.9GHz频率范围内实现41°~43°的透射波束偏转，同时在最大辐射方向上的增益可以达到9dBi~10dBi。 4）将相位梯度超表面的思想引入到Mushroom天线设计之中，设计了两种Mushroom天线结构，一种是采用相同单元结构形式的传统Mushroom天线结构，一种是引入相位梯度超表面的思想，采用渐变式单元结构的Mushroom天线。仿真发现，相较于传统的Mushroom天线，渐变式单元结构的Mushroom天线其抗带宽有所减小，为4.7GHz~5.3GHz，相对带宽为12%，但是它能够实现20°~30°的波束偏转，工作频带内最大辐射方向增益为6.5dBi~7.5dBi。

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第一章绪论

1.1引言

1.2电磁超材料与电磁超表面和相位梯度超表面

1.2.1电磁超材料

1.2.2电磁超表面

1.2.3相位梯度超表面

1.3国内外研究现状

1.3.1相位梯度超表面的国内外研究现状

1.3.2Fabry-Perot谐振腔天线的研究现状

1.4本论文结构安排

第二章基础理论概述

2.1引言

2.2天线的相关参数

2.2.1S11参数

2.2.2方向图

2.2.3增益

2.3相位梯度超表面的相关原理

2.3.1广义斯涅尔定律

2.3.2相位梯度超表面的阵列边界条件推导

2.4Fabry-Perot谐振腔天线工作原理

2.5本章小结

第三章具有多层结构的一维透射型相位梯度超表面

3.1引言

3.2单元结构设计

3.2.1多层方形贴片单元结构

3.2.2开槽的多层方形贴片结构

3.3一维相位梯度超表面设计

3.4实测结果分析

3.5本章小结

第四章基于相位梯度的Fabry-Perot谐振腔天线设计

4.1引言

4.2天线设计

4.2.1部分反射面设计

4.2.2馈源天线设计

4.2.3Fabry-Perot谐振腔天线设计

4.3本章小结

第五章基于相位梯度的Mushroom天线设计

5.1引言

5.2Mushroom单元结构设计

5.2.1理论分析

5.2.2Mushroom单元结构

5.3天线设计

5.3.1Mushroom天线设计

5.3.2渐变式单元的Mushroom天线设计

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2未来工作

参考文献

致谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景