基于液态金属材料的S波段可重构天线设计

发布时间：2020-06-23 07:05

【摘要】：可重构天线能够适用于多场景,为天线赋予了变化发展的新特性,是未来天线研究的核心演进目标之一,传统天线由于存在自身结构属性等问题,较难实现可重构,新材料的涌现为可重构天线的设计带来曙光,新材料具备许多区别于制作传统天线材料的新颖的物质属性,为交叉学科提供了大有作为的研究空间,液态金属作为新型合金材料,与天线相结合,为天线设计带来新的思路。本文设计了基于液态金属材料的方向图可重构天线,该天线在材料上是通过液态金属替代传统导体,在保留传统导体作用、保证天线结构具备良好导电性的同时,发挥出液态金属可形变、能运动的优势特点。天线在理论设计上以自相移原理为基础,用液态金属材料制作的偶极子形变来验证自相移理论,完成偶极子表面电流相位差的获取。天线阵理论为天线方向图可重构设计的核心,分析天线阵的相关理论,得到与主瓣偏转角度关联的参数,即阵元间距与阵元间相位差,在保证天线驻波系数的条件下,通过偶极子的形变为天线阵提供相位差,通过降低阵元间距尽可能实现大角度主瓣扫描。八木天线理论为天线方向图优化提供指导,鉴于存在的天线辐射方向图近乎全向、增益低、最大偏转角度小等问题,加载引向器、反射器使得天线增益提高,较引入前提高120%,引向器、反射器的规则有序流动带来主瓣最大偏转角度的提升,较引入前提高200%。电磁带隙理论为天线波束实时扫描提供保证,电磁带隙单元结构来源于参考文献,阵元间距的减小带来严重的阵元间耦合,出现天线驻波系数在波束重构过程中不满足小于2的基本要求,引入电磁带隙结构降低了阵元间耦合,使阵元驻波系数与天线阵电参数满足实时重构要求。天线的工作频率为2.4GHzWiFi频段,阵元间距为0.48λ_0,能够在±21°内实现波束可重构,阵元与引向器、反射器皆为液态金属材料构成,但控制方式有所不同,阵元选用ECC控制方法,引向器、反射器采取气泵推动,本文给出了各阵元长度的拉伸压缩的运动方向以及引向器、反射器的移动方向,为了详细说明天线的可重构过程,选取了可重构过程中的四个天线状态,给出了四个状态的天线参数,在实时可重构过程中,天线驻波系数均小于2,天线增益均大于7dBi。本文所有建模仿真优化工作均在CST Microwave Studio~?电磁仿真软件中进行,使用安捷伦N5227A型矢量网络分析仪对液态金属的特性进行实物测试,用替代实验的方法,加工制作了天线重构过程中不同状态的天线实物,测试结果显示仿真和实验结果达到较好符合度,验证了课题设计的可行性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG111.4;TN822
【图文】：

微带贴片天线,实物,柔性,贴片天线

a) 实物图 b) 仿真与实测反射系数图图 1-1 柔性微带贴片天线实物与反射系数图[10]2011 年，ShahrzadJalaliMazlouman 等人利用可伸缩硅基片实现了一种频率可重构贴片天线[11]。将液态金属注入硅橡胶基片中的方形储液罐，制造出可拉伸的金属贴片。如图 1-2 所示。文章使用耦合馈电方法，贴片天线的物理长度随拉伸状态而变化，所建立的模型实验证明可以达到 300%的拉伸形变。天线的频率重构范围为 1.3 至 3GHz，最大辐射效率 80%。

贴片天线,可重构,频率

仿真实测如图 1-1 b)。a) 实物图 b) 仿真与实测反射系数图图 1-1 柔性微带贴片天线实物与反射系数图[10]2011 年，ShahrzadJalaliMazlouman 等人利用可伸缩硅基片实现了一种重构贴片天线[11]。将液态金属注入硅橡胶基片中的方形储液罐，制造出可拉属贴片。如图 1-2 所示。文章使用耦合馈电方法，贴片天线的物理长度随拉而变化，所建立的模型实验证明可以达到 300%的拉伸形变。天线的频率重为 1.3 至 3GHz，最大辐射效率 80%。

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