基于电磁超材料的高增益天线研究

摘要

目前，高增益微带天线以其定向性高、重量轻和制作简单等优点，吸引了很多学者的目光。这种高增益微带天线可以广泛应用于微波领域，如RFID系统、无线通信系统、近场通信、卫星导航等。对于单一的天线而言，如果要提升它的增益和定向性，就面临着其它电磁参数的损失。而随着人工电磁超材料的提出，通过合理设计超材料的结构单元使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而控制其负折射率带宽的范围。再通过将超材料单元与天线合理的集成，可以在不大幅度更改天线结构的情况下，提高天线的增益和定向性。基于这种思想，本文找准目标，有的放矢，结合不同系统对天线的要求，设计了两款不同类型的超材料天线，以满足不同的应用需要，这两种超材料天线结构包括天线单元，馈电网络以及超材料周期结构。
　　文章的主要内容框架如下：
　　前两章主要阐述了天线以及负折射率超材料的基本理论和设计理念。第三章设计了一款可以应用于气象卫星系统的基于周期性渔网结构超材料单元的的微带天线，天线部分通过使用阵列结构来提高增益，并使用一个威尔金森功分器和两个 T型分支结构组成馈电网络，天线结构简单，辐射性能良好。超材料单元采用渔网结构，该结构单元中间介质版部分采用 FR4板材，两面分别印刷薄金属铜片，最后将该超材料单元组合成周期结构之后加载于天线的主辐射方向。此款超材料天线在9.2GHz-9.6GHz的增益、定向性和前后比相比于单一的天线都有了显著的提高。
　　第四章设计了一款可以应用于反导弹系统的基于SRR型（开口谐振环）结构超材料单元的超宽带 Vivaldi天线。在对天线端射性能分析的基础上，通过在金属铜片的外边缘加载开口槽线，并将SRR型超材料单元并排成两排集成于天线主辐射方向前端。该结构相比于单一的Vivaldi天线结构，在8GHz-18GHz频段内的增益有了显著的提高。
　　第五章分别将设计的两款超材料天线加工生产，并对其各项参数如增益、回波损耗、二维平面方向图等进行了测试分析。

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第一章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2超材料的研究进展及现状

1.3超材料在天线领域的应用

1.4论文的主要工作及内容安排

第二章 电磁超材料及天线的基础理论

2.1左手材料的基础理论与特性

2.2天线的主要基本参数

2.3超材料在天线中的应用

2.4 本章总结

第三章 基于渔网结构超材料的微带天线设计与实现

3.1微带贴片天线设计

3.2超材料结构设计与仿真

3.3超材料天线的仿真

3.4本章小结

第四章 基于SRR周期结构超材料的Vivaldi天线设计与实现

4.1 Vivaldi天线设计与仿真

4.2 SRR结构分析与仿真

4.3 超材料天线设计与实现

4.4本章小结

第五章 实物测试与结果分析

5.1测试环境介绍

5.2基于渔网结构超材料的微带天线实际测试结果分析

5.3基于SRR周期结构超材料的Vivaldi天线实际测试结果分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献