基于超介质的高增益射频天线技术研究与设计

发布时间：2017-09-24 06:33

  本文关键词：基于超介质的高增益射频天线技术研究与设计

  更多相关文章： 超表面 宽带 圆极化 高增益

【摘要】：电磁超介质被提出后便由于其特殊的电磁特性得到了广泛的关注,并且电磁领域内的众多学者对其进行了大量深入的研究。但是这些研究主要集中在三维块超介质,三维超介质结构复杂,在天线设计中很难实现共形设计。近年来,超表面的提出解决了这一问题,超表面作为超介质的延伸和拓展,其是由超介质单元结构阵列构成的二维薄层平面。按照特定的方式组合不同结构参数的超介质单元结构可以实现对电磁波反射/传输相位、极化方式、传播模式等特性的调控。通过加载不同性质的超表面可以改善天线的特性。射频识别作为一种当前广泛应用的自动识别技术,要求读写器天线具有宽带、圆极化和高增益的特性,然而常见的天线总是存在着这样或那样的不足,限制了其使用范围。5.8GHz频段作为RFID应用标准中的频段之一,具有背景噪声小,数据传输效率高的特点,常被应用于电子不停车收费系统、仓储物流系统等。常见的5.8GHz频段天线存在着面积较大、极化带宽窄、增益小、结构复杂等问题。本论文根据超表面的基本理论,并结合色散模式图对超表面进行了深入的研究。同时,将超表面应用于微带缝隙天线实现了天线的宽带化和圆极化特性,以及该天线具有高增益和低剖面的特性。本论文主要研究工作及创新点如下:1.采用传输线模型和空腔模型理论,分析了典型超表面单元结构的色散特性,通过对比理论计算和数值模拟仿真得到的不同个数单元结构的色散曲线,验证了仿真模型的正确性。进一步通过模型仿真得到指定工作频率(5.8GHz)的超表面单元结构参数。2.通过研究微带缝隙天线接地板与超表面金属贴片之间的电场分布,分析了超表面加载微带缝隙天线实现宽带特性的机理。在该理论的指导下,实现了微带缝隙天线的宽带化,同时提高了微带缝隙天线的增益,改善了微带缝隙天线的方向图。通过加工测试进一步的验证了该理论的正确性。3.依据二正交线极化波可合成圆极化波的理论方法,设计实现了两种极化模式转换超表面——切角型超表面和单边延长型超表面,并通过等效电路理论分析了这两种超表面实现极化模式转换的可行性。4.通过超表面实现宽带特性的原理和上面设计实现的两种极化模式转换超表面,设计了两款基于微带缝隙天线的宽带圆极化天线,同时具有高增益和低剖面的特性。并对切角型超表面加载微带缝隙天线进行了仿真优化设计和物理实验测试对比,设计天线的测试阻抗带宽为4.7~6.5GHz,相对阻抗带宽达到32%,仿真的相对带宽为38%,测试轴比带宽为5.3~6.5GHz,相对轴比带宽达到20%,仿真的相对轴比带宽为20.8%,测试结果与仿真结果基本一致。本论文设计了加载超表面的微带缝隙天线,不仅实现了微带缝隙天线的宽带化和圆极化特性,而且还具有剖面低、增益高和加工简单的特点。上述研究成果为缝隙天线的宽带化和圆极化提供了新思路,能很好的应用于无线局域网、宽带无线接入系统、车辆无线自动识别系统和不停车电子收费系统。
【关键词】：超表面 宽带 圆极化 高增益
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN822
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景与意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.2.1 微带天线的研究进展15-16
• 1.2.2 超表面的研究进展16-17
• 1.2.3 超表面在微带天线中的应用17
• 1.3 论文内容及结构安排17-20
• 第二章 微带天线的基础理论20-36
• 2.1 天线的基本参数20-25
• 2.1.1 天线的方向图和方向性系数20-22
• 2.1.2 天线的方向增益与功率增益22
• 2.1.3 天线的阻抗和带宽22-23
• 2.1.4 天线的极化23-25
• 2.2 微带天线和缝隙天线基本理论25-32
• 2.2.1 微带天线的分类25-26
• 2.2.2 微带天线的辐射机理26-28
• 2.2.3 微带缝隙天线的分析28-32
• 2.2.4 软件仿真分析32
• 2.3 微带天线的馈电32-35
• 2.3.1 微带线共面馈电32-33
• 2.3.2 同轴线馈电33-34
• 2.3.3 临近耦合馈电34
• 2.3.4 共面波导馈电34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 超表面的理论和设计36-50
• 3.1 超表面的基本理论36-37
• 3.1.1 超表面的传输线模型36-37
• 3.1.2 超表面的空腔模型37
• 3.2 超表面结构单元的仿真37-44
• 3.2.1 超表面结构单元的仿真模型38-40
• 3.2.2 超表面结构单元的参数研究40-44
• 3.3 超表面对微带缝隙天线带宽的展宽分析44-46
• 3.4 极化转换超表面的设计与分析46-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 加载超表面的微带缝隙天线的设计50-69
• 4.1 微带缝隙天线的设计50-52
• 4.2 宽带微带缝隙天线的设计52-57
• 4.3 加载切角型超表面的微带缝隙天线的设计57-62
• 4.3.1 加载天线的设计57-58
• 4.3.2 加载天线的优化58-60
• 4.3.3 主要结构参数对天线性能的影响60-62
• 4.4 加载单边延长型超表面的微带缝隙天线的设计62-67
• 4.4.1 加载天线的设计62-64
• 4.4.2 加载天线的优化64-65
• 4.4.3 主要结构参数对天线性能的影响65-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第五章 天线测试与结果分析69-77
• 5.1 测试环境介绍69
• 5.2 天线测试结果分析69-76
• 5.2.1 微带缝隙天线测试结果分析69-71
• 5.2.2 宽带微带缝隙天线测试结果分析71-73
• 5.2.3 加载切角型超表面微带缝隙天线测试结果分析73-75
• 5.2.4 误差分析75-76
• 5.3 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 全文总结及主要贡献77-78
• 6.2 需要进一步深入研究的问题和展望78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-83
• 攻读硕士学位期间取得的成果83-84

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