近零折射率覆层高增益天线研究

发布时间：2018-01-14 18:04

本文关键词：近零折射率覆层高增益天线研究　出处：《西安电子科技大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近零折射率超材料覆层因其对电磁波的传播具有能量隧穿效应和近乎为零的折射率效果在无线通信领域具有十分广阔的应用前景。传统天线覆层使得天线剖面大幅度增加,这大大限制了覆层在天线上的应用。近零折射率材料能够使得电磁波垂直材料表面出射,合理设计覆层与天线的高度l,覆层的尺寸a等较敏感参数,能够在不明显增加天线剖面情况下有效增加天线增益。本文将从这些方面入手,旨在为超材料覆层高增益天线提供应用的理论指导、低剖面设计和最优加载方案。本文首先从研究背景、研究现状以及未来研究方向等方面阐述了近零折射率超材料的原理以及在高增益天线上的应用。系统介绍了近零折射率超材料对电磁波传播的两大影响,即电磁波隧穿效应和波前整形效应。从???平面的坐标轴出发,在四个方向研究近零折射率超材料。通过二维和三维仿真实验,验证了当r?近零时,电磁波将发生隧穿效应。当相对介电常数和磁导率同时近零时,电磁波还能几乎无反射地透过超材料。根据Snell定律,材料的近零折射率能够使得出射电磁波传播方向垂直材料的出射面,实验仿真验证了这一点,为其在高增益天线上的使用奠定了理论基础。然后,通过使用Matlab-HFSS API,编写Matlab程序控制HFSS建立大量Fishnet模型,计算不同尺寸下的S参数,然后将S参数导入反演程序,找到相对介电常数和相对磁导率的近零频点。将得到的频点数据与结构尺寸进行拟合,最终得到材料近零频率点和结构参数的计算公式。通过运用公式计算以及仿真验证了拟合公式的有效性。再者,通过前面的理论指导,将理想的电近零(ENZ)、磁近零(MNZ)和双近零(DNZ)超材料分别加载到X波段标准喇叭天线上。研究发现,当喇叭天线加载ENZ材料覆层时,喇叭的E面方向图被压缩;当喇叭天线加载MNZ材料覆层时,喇叭的H面方向图被压缩;当喇叭天线加载DNZ材料覆层时,喇叭的E面和H面方向图均被压缩。三种近零折射率超材料均有改善喇叭天线增益的效果,在距离喇叭口径为1mm或者2mm出的增益达到最大,随着距离增大,增益下降。当覆层距离喇叭高度确定时,增益在某些频点会急剧下降。通过等效电路的计算,得出激励源的阻抗随频率变化的关系式,然后计算覆层距离喇叭激励源不同高度与波长的关系,判断在两个增益凹陷频点处整个系统发生了谐振。进一步,将激励源和喇叭波导部分进行电路等效,通过等效电路计算的S参数曲线走势与HFSS计算的一致。然后得到了喇叭天线以及加载ENZ覆层的喇叭天线的等效电路,通过计算发现覆层喇叭天线等效电路匹配频点与HFSS仿真计算的频点位置基本一致,共有5个频点,这是因为波导中特性阻抗的周期是半波长的整数倍。最后通过对场图的观察从微波角度解释了凹陷点处增益下降的原因。验证了ENZ材料对电磁波的整形效果,同时发现在喇叭口径中心位置的两侧还有两处场强比较大,导致增益有两个较强的旁瓣,因此增益下降。最后,分别设计了?近零?近零和?、?同时近零的三种近零折射率材料实际拓扑结构,实验仿真和测试验证了近零折射率超材料有效提高了天线实际增益。
[Abstract]:This paper introduces the principle of near zero refractive index metamaterial and the application of near zero refractive index metamaterial in the field of wireless communication because of its energy tunneling effect and near zero refractive index effect on the propagation of electromagnetic waves . The gain has two stronger side lobes , so the gain decreases . At last , nearly zero and near zero are designed , respectively ? At the same time , the practical topological structure , experimental simulation and test of the near zero refractive index materials have proved that the near zero refractive index metamaterial can effectively improve the real gain of the antenna .

【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN822

【相似文献】