超材料基平面天线阵列研究与设计

摘要

人类进入信息化时代后，无线电通信方式成为人们信息交流的主要方式，所以无线电通信系统必须要满足人类对特殊地域，特殊自然环境的苛刻要求，同时，由于自然空间中存在许多其他通信系统的电磁波，所以无线通信系统也将面临各种空间电磁波干扰。而天线作为将通信系统的电流能量与空间电磁波能量互相转换的设备，所以天线的设计将是整个无线电通信系统设计的重点内容。 对于理想的阵列天线，人们通常不需要考虑天线之间的互相影响，但是，实际工程设计中，当天线之间的间距减小到一定程度的时候，天线单元之间的互相影响将成为天线设计中必须要考虑的因素。 本文设计了几款阵元间距较小的阵列天线，但是阵元之间的互相耦合却严重影响天线的辐射性能。其次，探索可以改善阵列天线性能的方式，其中天线的性能包括阵列单元之间的耦合与天线的增益。然后对超材料所需要设计的阵列天线的预定目标进行相应的超材料的设计。最后设计了几款具有独特性性与其在阵列天线中的应用进行了详细的分析。本文的具体工作分为如下几个部分: 第一部分分析和研究了微带天线，MIMO技术和超材料，分析了超材料可以改善阵列天线的原因，最后设计了几类超材料并且对其进行了详细的分析研究和参数提取。 第二部分运用超材料的理论，通过在二元双频MIMO微带阵列天线单元之间布置超材料实现双频阵列天线的去耦合研究与设计。并且通过HFSS仿真与实物测试验证运用超材料实现阵列天线单元之间去耦合的可行性。 第三部分，根据超材料研究理论并且结合频率选择表面具有带通功能的特点，设计了一款超材料频率选择表面，最后将由该超材料频率选择表面单元构成的超表面覆盖在原MIMO阵列天线上方，使得超表面在降低阵列天线单元之间的耦合，同时也增强了阵列天线的增益。 最后部分根据前面设计的阵列天线单元之间的耦合减小的MIMO阵列天线的不足，设计了一款应用超材料频率选择表面降低阵元之间互相耦合的阵列天线。实现了阵列天线之间距离的大幅度缩小，并且可以实现在较小的平面内进行较多的阵列天线单元的排列。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究现状

1．2．1阵列天线的去耦合研究现状

1．2．2天线的高增益研究现状

1．2．3超材料的研究现状

1．3主要内容及结构

2．1微带天线

2．1．1微带天线的基本分类

2．1．2天线的电参数

2．1．3微带天线的分析方法

2．1．4微带天线的辐射原理

2．1．5矩形微带天线的特性参数

2．1．6微带天线的馈电方式

2．2超材料的形成理论

2．2．1超材料的概念

2．2．2超材料等效参数的提取

2．3本章小结

第3章基于超材料的双频阵列天线去耦合

3．1基于平面超材料的双频阵列天线去耦合

3．1．1双频微带天线单元

3．1．2双频MIMO微带阵列天线

3．1．3双频超材料设计及分析

3．1．4基于超材料的低耦合阵列天线

3．2本章小节

第4章应用超材料的高增益低耦合阵列天线

4．1应用超材料覆盖层结构的高增益阵列天线

4．1．1超材料单元设计

4．1．2高增益四单元MIMO阵列天线

4．2应用去耦合网络的工作机制

4．3低耦合高增益阵列天线

4．4本章小结

第5章基于超材料频率选择表面的低耦合阵列天线

5．1基本MIMO阵列天线设计

5．2超材料频率选择表面设计

5．3高隔离度阵列天线设计

5．4高隔离度阵列天线的测试比较

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢