基于超材料的高性能天线研究

摘要

进入二十一世纪以来，移动通信的发展异常迅速，从2G，3G发展到这几年的4G，以及即将大规模商用的5G，通信速度不断提升的同时，移动手持终端也越来越智能化。在各种通信应用场景中，天线是接收和发射信号的设备，其重要性不言而喻。随着通信设备向小型化发展，对天线的性能提出了更高的要求。人们渴望天线具有高增益、小型化、低成本、宽频带等特性，然而现实中天线的这些性能还不尽人意。超材料的出现为天线的发展打开了新的思路。由于超材料具有高折射率、负磁导率或负介电常数等特殊的电磁特性，通过在天线上加载合适的超材料，可以使天线的性能获得大幅提升。本文主要研究了超材料在提高天线性能上的应用，主要内容如下： 1．本文研究的超材料有垂直裂环谐振器、垂直“工”字型谐振器以及可重构蘑菇型电磁带隙。在传统的开口环谐振器以及平面I型谐振器的基础上，将其发展为垂直结构，用来提高垂直极化天线的增益。在传统蘑菇型电磁带隙的基础上，将其发展为可重构超表面，用来提高天线的性能。 2．将垂直裂环谐振器应用在磁偶极子天线上，制作了一款高增益垂直极化端射天线。在该天线的设计中，利用超材料的高折射率来提高天线的增益。经测试，其工作频带为6.4-6.7GHz，增益达到了8.7dBi，且仿真与测试结果基本吻合。 3．设计了一款方向图可重构八木天线，其反射器为垂直“工”字型谐振器构成的超材料，引向器为可重构蘑菇型电磁带隙。在蘑菇型电磁带隙的地平面上，放置PIN二极管阵列，通过控制PIN二极管的通断来改变蘑菇型电磁带隙的电磁特性，进而实现天线E面方向图的改变。该天线有两种方向图：端射模式和波束倾斜模式，分别对应二极管的断开和导通，其中倾斜模式下天线的主波束倾斜了24°。这两种状态下，天线的工作频率分别为8.9-9.4GHz和8.9-9.45GHz，增益分别达到了9.4和9.7dBi。仿真和测试表明，在天线方向图改变的时候，其工作频带和增益基本保持不变。

目录

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2.1超材料的发展与研究现状

1.2.2超材料天线的研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 天线与超材料的基本理论

2.1 天线的基本理论

2.1.1 天线的方向性和增益

2.1.2 天线的方向图

2.1.3 天线的输入阻抗

2.1.4 天线的极化

2.1.5 天线的带宽

2.2 超材料的基本理论

2.2.1 超材料的电磁场理论

2.2.2 超材料的等效媒质色散理论

2.3 蘑菇型电磁带隙

2.3.1 复阻抗表面上的表面波

2.3.2 复阻抗表面上电磁波的反射

2.3.3 电磁带隙结构的高阻抗特性

2.3.4 电磁带隙结构的同相反射特性

2.4 超材料电磁参数的提取

2.4.1 直接计算电磁参数

2.4.2 基于散射参量的反演

2.5 本章小结

第三章 基于超材料的高增益低剖面垂直极化端射天线

3.1 引言

3.2 磁偶极子天线的设计

3.3 垂直裂环谐振器的设计

3.4 基于超材料的高增益低剖面垂直极化端射天线的设计

3.5 天线的测试与分析

3.6 本章小结

第四章 基于超材料的方向图可重构八木天线的设计

4.1 引言

4.2 磁偶极子天线的设计

4.3 超材料的设计

4.3.1 可重构蘑菇型电磁带隙的设计

4.3.2 垂直“工”字型谐振器

4.4 基于超材料的方向图可重构八木天线的设计

4.4.1 控制电路的设计

4.4.2 天线的工作模式分析

4.5 天线的测试与分析

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献