基于电磁超材料的新型平面天线的研制

摘要

现代无线通信系统越来越小型化、集成化和多功能化，天线作为无线通信系统的重要收发元件也面临着多重挑战。为了与无线通信系统相集成，天线设计者必须设计出小尺寸、多频、低剖面、宽频带、结构简单和价格低廉的天线。传统的实现手法和常规材料已经不能满足天线发展的需要，超材料的提出为天线的发展开拓了一个新的领域。自从超材料的几种不同结构形式被提出以来，其微带实现形式的复合左右手传输线在天线领域得到广泛应用,它具有传统传输线所不能比拟的一系列优点，比如低损耗、负折射率以及非线性的相位常数等。
　　本文首先分析了超材料天线领域国内外的研究现状和研究热点，接着描述了超材料与天线的基本理论，最后围绕着设计小型化和多频段天线的宗旨设计了三款不同的超材料天线。本文的主要内容包括以下几个方面：
　　1.设计了一款基于超材料的小型化三频带天线。利用非对称共面波导进行馈电以减小天线的尺寸。利用两个简化的超材料单元来替代一般的超材料结构，使天线的尺寸得以进一步减小，同时激励天线的零阶谐振和天线本身的谐振，使天线工作在1.76 GHz的UMTS频带，5.2 GHz和5.8GHz的WLAN频带。讨论了各参数与天线谐振频率之间的变化关系，绘制了三个频点处的电流分布图。加工天线并实测，测试结果与仿真结果基本吻合。
　　2.设计了一款基于超材料的小型化宽带多频天线，天线的尺寸为16×23.2×1.6 mm3。利用缝隙电容实现左手电容，微带短截线电感实现左手电感，同时激励天线的零阶谐振和一阶谐振，通过调节左手原件值，使天线的零阶谐振和一阶谐振相融合以获得宽带性能。同时在地板上开弯折形槽以激励高频谐振。所设计的天线能工作在2.44-3.69 GHz的WiMax频段和5.6-5.9 GHz的WiFi频段。
　　3.设计了一款加载超材料单元的多频带天线。在传统矩形贴片单极子天线上加载两个复合左右手传输线单元结构，每个单元激励一个新的谐振，该新的谐振仅仅与超材料单元的结构尺寸有关，通过调节超材料单元的尺寸，能够灵活的调节其谐振频率。同时单极子天线本身的谐振并不受影响。天线能工作在2.5-3.69 GHz的WiMax频段和1.227 GHz的GPS频段。文章给出了天线设计的演变过程,详细分析了天线各个频带形成的基本原理。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容及章节安排

第二章 复合左右手传输线与天线基本理论

2.1 复合左右手传输线基本理论

2.2 天线基本参数

2.3 小结

第三章 基于超材料的小型化三频带天线设计

3.1 引言

3.2 天线结构

3.3 仿真结果与分析

3.4测试结果与分析

3.5 同类型天线性能对比

3.6 总结

第四章 基于复合左右手传输线的小型宽带多频天线设计

4.1 引言

4.2 天线结构

4.3 仿真结果与分析

4.4 测试结果与分析

4.5 同类型天线性能对比

4.6 小结

第五章 超材料加载的多频带单极子天线设计

5.1 引言

5.2 天线结构设计

5.3 天线仿真结果与分析

5.4 小结

第六章 结论

6.1 主要工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果