基于超表面的宽带化端射天线研究

摘要

端射天线具有增益高、指向性好、结构简单、馈电方便等优势，常常被应用到卫星通信、移动通信、雷达探测等无线通信领域中。天线作无线通信系统的核心部件，其性能的优劣极大程度地影响了无线通信系统的通信质量。由于传统端射天线存在带宽窄、尺寸大等问题，本文围绕宽带化、小型化端射天线进行探索，将超材料设计理念与传统天线相结合，将人工结构的超表面应用于传统端射天线设计之中，为传统端射天线设计提供了创新性的设计方案。本文主要内容分为如下几个方面进行阐明:　　首先，介绍了基于超表面的宽带化端射天线的研究背景和意义，并对超表面和端射天线的发展历程与研究现状进行了相关介绍。以亚波长周期单元模型为研究基础，探索了超表面独特的电磁特性，并解释了同相位反射特性和表面波传播特性的工作原理。　　然后，对超表面能引导和控制表面波传播这一特性，进行了初期的探索工作，提出了一款基于一维调制超表面的宽带化双端射表面波天线，实现了良好的双端射、低剖面且宽带化效果，并对平面端射表面波天线的工作机理进行了理论分析。　　接着，创新性地提出了将超表面的表面波传播特性和传统天线的基本理论进行一体化设计的概念。阶梯形“胶囊”偶极子作为馈源，将超表面设计为调制折射率和固定折射率两个部分，利用相位补偿原理，设计了一款偶极子激励下的小型化宽带一维调制超表面天线。进一步的拓展了天线的带宽和提高了天线的增益，并且实现了低剖面、小型化设计。　　最后，为进一步拓展超表面在端射天线上的应用场景，提出了基于超表面的宽带化单端射定向天线设计，将辐射能量集中在其中一个端射方向上以此获得更高的天线增益。该天线由微带线向槽线过渡结构、驱动偶极子和调制超表面三个部分构成。其具备单端射、频带宽、高方向性的特点，且带宽范围内单端射方向图维持良好。　　上述三款基于超表面的宽带化端射天线的实现，充分表明了超表面与传统端射天线设计理念的结合在宽带化、小型化、高性能化方面具有广阔的应用前景。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 超表面的发展历程和研究现状

1.2.2 端射天线的发展历程和研究现状

1.3 内容安排

2 超表面的电磁特性研究

2.1 引言

2.2 超表面分析模型

2.3 同相位反射特性

2.4 表面波传播特性

2.5 本章小结

3 基于一维调制超表面的宽带化双端射表面波天线设计

3.1 引言

3.2.1 天线设计

3.2.2 天线性能分析

3.2.3 工作机理分析

3.3 本章小结

4 偶极子激励下的小型化宽带一维调制超表面天线设计

4.1 引言

4.2.1 天线设计

4.2.2 性能分析

4.2.3 工作机理分析

4.2.4 参数分析

4.3 本章小结

5 基于超表面的宽带化单端射定向天线设计

5.1 引言

5.2.1 天线设计

5.2.2 性能分析

5.2.3 工作机理分析

5.2.4 参数分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢

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