基于超材料与超表面的新型天线研究

摘要

超材料是由一系列亚波长单元按周期或非周期排列成的人工结构，可在宏观上表现出一系列奇异的电磁特性。超材料对电磁波具有很强的调控能力，能自由的控制电磁波传播的幅度、相位和极化等电磁特性，因而受到人们很大关注。经过二十余年的发展，超材料研究无论是在理论上还是工程上都取得了重大成果。目前，基于各种形式的可调控超材料是一个研究热点。而在工程上，基于超材料的天线设计是微波段超材料重要的应用方向之一。本文对这两个问题进行了深入研究，主要创新点如下： 1、设计了工作在37.5GHz的毫米波渐变折射率透镜天线。为了减小在高频工作时因为工艺限制引起的折射率的取值局限性，提出在渐变折射率透镜沿电磁波传播的方向上采用两个单元组合排列的方法，以实现折射率的自由取值。 2、提出并设计了辐射口面上相位分布和幅度分布都均匀的透镜天线。通过在天线内插入金属结构，可使天线口面上电磁场幅度分布变成混合模式，实现近似均匀分布。而渐变折射率透镜可使天线口面上电磁场相位分布近似均匀。实验中，通过这两种方法设计的高增益天线在14.25GHz实现90%以上的口面效率。 3、提出并设计了基于宽带高阻抗表面的低剖面天线。通过将工作在不同频率的两个高阻抗单元组合排列，可在更宽的带宽内展现出高阻抗的特性。由仿真结果可知，基于这个宽带高阻抗表面设计的低剖面天线可以在1.82GHz到3.56GHz的频带内实现S11小于-10dB，并且整个带宽内远场增益大于7.3dB。 4、提出并设计了基于宽带极化转换阵列的低剖面天线。因为反射式线极化转换器的入射波和反射波互不干涉，所以基于极化转换阵列的低剖面天线拥有更宽的主瓣宽度。与基于高阻抗表面的低剖面天线相比，这个天线具有更好的远场稳定性。在较宽的带宽内，这个天线的远场不会出现栅板，而且可以保证z方向上的增益。由仿真结果可知，从1.5GHz到2.6GHz的频带内，所设计的天线在z方向上的增益都大于8dB。 5、利用电压调控的二极管提出并设计了散射波极化方向和散射方向可同时调控的有源超材料。通过设计合适的单元结构，使超材料在临近的频段内拥有不同功能。利用二极管在不同状态下对单元不同影响，使单元在同一频段内实现不同功能。

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1 绪论

1.1 超材料的发展历史

1.2 超材料的概述

1.2.1 人工电介质材料

1.2.2 人工磁介质材料

1.2.3 吸波器

1.2.4 手征材料和各向异性材料

1.2.5 超材料隐身衣

1.2.6 超表面

1.2.7 可调超材料

1.3 超材料在天线中的应用

1.3.1 超材料透镜

1.3.2 天线的小型化

1.4 研究背景和主要内容

2 毫米波高增益渐变折射率透镜天线

2.1 引言

2.2 高增益渐变折射率透镜天线的工作原理和设计方法

2.2.1 均匀口面相位的设计

2.2.2 阻抗匹配的设计

2.3 渐变折射率透镜的设计、仿真和实验

2.4 小结

3 基于混合模的高增益透镜天线

3.1 引言

3.2 基于混合模的高增益透镜天线的工作原理和设计方法

3.2.1 基模和多次模远场增益和口面效率的分析

3.2.2 混合模模式的馈源设计

3.2.3 天线透镜的设计

3.3 仿真和实验结果

3.3.1 长天线设计

3.3.2 短天线的设计

3.4 小结

4 基于高阻抗表面的宽带低剖面天线

4.1 引言

4.2 基于高阻抗表面阵列的低剖面天线的工作原理和设计方法

4.2.1 低剖面天线的设计原理

4.2.2 基于超材料设计的高阻抗表面

4.2.3 基于多结构设计的宽带高阻抗阵列的原理

4.3 基于多结构宽带高阻抗阵列的低剖面天线的设计和仿真

4.4 小结

5 基于极化转换阵列的线性低剖面天线

5.1 引言

5.2 基于极化转换阵列的线性低剖面天线的工作原理和设计方法

5.2.1 基于极化转换阵列的低剖面天线的设计原理

5.2.2 宽带小周期极化转换器单元的设计

5.2.3 天线极化状态的分析

5.3 设计与仿真

5.4 实验结果

5.5 小结

6 基于开关二极管的可调极化转换器

6.1 引言

6.1.1 极化转换器的设计

6.1.2 可调控功能的设计

6.2 可调控极化转换器的仿真和实验结果

6.2.1 线极化转换器设计

6.2.2 圆极化转换器设计

6.3 小结

7 结束语

致谢

参考文献

作者简介