基于超材料结构和特性的电小螺旋天线设计与优化

摘要

在无线通信系统中天线有着举足轻重的作用。随着无线信息系统的飞速发展，对天线的小型化需求日益增加。作为小尺寸天线的重要类型，设计匹配和辐射特性优良的电小天线具有重要意义。本论文在充分调研电小天线理论和超材料理论及应用的基础上，对设计和改进电小的法向模螺旋天线进行了研究。本论文的主要内容如下：
　　第一章，介绍了论文工作的研究背景。系统回顾了电小天线理论的发展历程，并且对近几年基于超材料的天线小型化工作进展进行了综述。
　　第二章，介绍了论文工作中所用到的两部分理论知识，即法向模螺旋天线的经典模型和近年来提出的改进模型以及求解复合左右手传输线色散关系的三种方法。
　　第三章，我们详细分析了非均匀电流分布螺旋天线的辐射特性并给出了解析解，通过对几种典型尺寸螺旋天线的全波仿真，验证了解析解的正确性。基于近场耦合馈电的思想设计了一个总长度为半波长的非均匀电流分布法向模螺旋天线，通过建立等效电路模型解释了天线的工作原理和匹配方法。最终得到了一个特征尺寸ka为0.2条件下具有良好辐射效率和圆极化辐射特性的法向模螺旋天线。
　　第四章，为了设计表面电流呈均匀分布的法向模螺旋天线，基于复合左右手传输线理论，对周期性加载电容的平行板传输线进行了分析，得到了其色散曲线特别是零相移频点。基于此结构分别设计了工作于两个不同频段，特征尺寸ka分别为0.28和0.31的双绕圆柱形和方柱形法向模螺旋天线，天线表面电流均为均匀分布，获得了良好匹配和圆极化特性，并且其 Q值在一定程度上接近了该尺寸下圆极化天线的Q值极限。
　　第五章，对于法向模螺旋天线的经典电－磁偶极子模型，对其中的电小环天线储能情况进行了初步研究。通过对经典环天线理论中磁矢势进行数值积分，较为精确地计算了天线的外切球内储能和总储能，并且通过与前人的结果和全波仿真解对比，验证了求解结果的准确性。同时，考察了环内填充理想双负材料的情形，发现当双负材料的本构参数为一定特定值时，天线外切球内储能及相应的天线Q值有可能大幅降低。
　　第六章，总结了全文工作，并对下一步将要继续的研究工作进行了展望。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 电小天线技术的研究历史及现状

1.3 基于超材料的小型化天线

1.4 本文主要工作及内容安排

第二章 论文涉及的若干理论

2.1 法向模螺旋天线的分析方法

2.2 复合左右手传输线的基本理论和分析方法

2.3 本章小结

第三章 基于近场耦合馈电的小型化法向模螺旋天线的研究

3.1 研究背景

3.2 非均匀电流分布的螺旋天线的理论分析

3.3 耦合馈电的柱形NMHA

3.4 本章小结

第四章 基于近零相移传输线的电小法向模螺旋天线研究

4.1 近零相移传输线的传输特性分析

4.2 基于近零相移传输线的电小法向模螺旋天线

4.3 本章小结

第五章 基于等效均匀超材料填充的电小天线外切球内Q值优化初步研究

5.1 电小环天线的储能计算及优化

5.2 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果