超材料与透射阵列天线的研究与设计

发布时间：2020-11-05 06:30

　　 超材料天线是近年来电磁学领域新颖的研究,以其独特的多频带、宽带、小型化、高增益特性受到了学者们的广泛关注。透射阵列天线是一种新型的阵列天线设计,有着出色的高增益辐射性能以及设计制造的灵活性,近年来一直是专家学者们研究的重点。本文首先从超材料天线与透射阵列天线的发展历史以及研究现状分析了这两种天线的特点与研究趋势,并研究了复合左右手传输线式超材料(Composite Right/Left Handed transmission-line,CRLH-TL)的工作频带特性以及透射阵列天线的工作与设计原理。接着设计了四款宽带高增益天线,每一种天线都有其各自的特点。本文主要完成以下工作:(1)设计了一款工作于5.4-8.2GHz的宽带高增益蘑菇型CRLH-TL天线。基于CRLHTL的多频特性以及基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)的原理,在宽带多频的蘑菇型CRLH-TL型天线基础上引入了基片集成波导腔体,扩宽了天线的阻抗带宽并提高了天线增益。该天线实现了实测5.4-8.2GHz工作频带内最高9.5dBi的增益,其实测结果与仿真较为吻合,验证了该设计的出色性能。(2)基于透射阵列天线工作原理,设计了一款工作于16GHz的单频透射阵列天线和工作于16GHz、27GHz的双频透射阵列天线。两种三层纯金属透射阵单元皆具有宽频率通带、低透射损耗特性且均能在工作频段实现360度相位调控。基于两种单元进行了透射阵列天线的设计。双频透射阵列天线在16GHz、27GHz分别实现了27.8dBi、26.9dBi的仿真增益,对应口径效率分别为78%、22%,具有极好的双频高增益性能;另一种单频透射阵列天线经加工测试在16GHz取得了26.9dBi增益与64%口径效率,并取得了14%的1dB增益带宽以及低于-45dB的交叉极化电平。该设计的测试与仿真结果基本吻合,验证了该设计的可行性与出色性能。(3)设计了两种双层低剖面透射阵单元,两种单元均采用双层0.5mm介质板设计,整体剖面仅有3.5mm,且在频率通带内皆实现了接近360°的相位调控能力。单元1的对称结构对于不同极化入射波均具有较好的适应性,单元2基于单元1进行改进,具有较好的单极化性能。基于单元2进行了初步的透射阵列天线设计以及测试,该天线在14GHz取得了22.8dBi的测试增益、19%的1dB增益带宽以及低于-35dB的交叉极化电平,与仿真结果较为吻合,验证了该单元良好的性能。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

第一章 绪论口谐振环结构在电等离子频率以及磁等离子频率下，其等效负值，该理论为超材料的设计提供了理论基础。随后的几年ith 团队将周期排列的金属杆与开口谐振环相结合，首次使了等效介电常数与磁导率均为负的特性，标志着超材料在自lby 团队于 2001 年设计出了二维的左手超材料，并首次观理现象。2003 年，超材料由于其奇特的特性被《科学》杂志果。

学的 D.R.Smith 团队将周期排列的金属杆与开口谐振环相结合，首次使该材料结计频率实现了等效介电常数与磁导率均为负的特性，标志着超材料在自然界中的现。R.A.Shelby 团队于 2001 年设计出了二维的左手超材料，并首次观测到了与理相反的物理现象。2003 年，超材料由于其奇特的特性被《科学》杂志列为当年科学研究成果。图 1-1 人工制造的开口谐振环型超材料

华南理工大学硕士学位论文-3 所示，这种周期性蘑菇型结构最早由 Sievenpiper 提出用来设计高阻抗表面[12]，da 分析了该结构的等效电路模型并推断该结构本质上是一种 CRLH-TL 结构，具手材料的性质，在该结构中上层贴片之间的互相耦合产生串联电容，金属通孔产生电感从而形成等效左手传输线结构。
【参考文献】

相关博士学位论文 前1条

1 薛飞;宽带双频微带反射阵及宽带透射阵天线研究[D];中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心);2017年

相关硕士学位论文 前3条

1 代黎明;超材料在微带天线小型化设计中的应用研究[D];西南交通大学;2012年

2 叶俊;基于超材料理论的新型微带天线设计与研究[D];南京航空航天大学;2012年

3 赵娜;左手材料微带天线的研究[D];西安电子科技大学;2010年

本文编号：2871261