基于超表面的平面天线阵列的去耦研究
发布时间：2020-12-30 22:29
随着第五代(5G)无线通信系统的发展,大规模MIMO技术能够显著提高通信系统的可靠性和信道容量,被认为是5G应用的关键技术之一。而在许多应用场景中,需要具有更多天线单元的紧凑天线阵列,这要求天线单元之间的间距更小。天线间距越小,互耦越强,就会导致天线性能下降,空间相关系数增大,信干噪比(SINR)变差。此外,互耦还会提高码元误码率。因此,减少MIMO阵列间的相互耦合被认为是提高MIMO系统性能的有效途径之一。另一方面,近年来关于超表面、超材料的研究越来越多。超材料具有的某些独特性质可以十分有效地增强天线阵列的各种性能。超表面作为超材料的二维表现形式,很大程度上拓展了电磁媒质的范围,且具有低剖面,易加工,低损耗等特点,在电磁波调控方面有着极为广泛的应用。为了降低近距离排布MIMO天线阵列的耦合,本文探究了基于超表面覆层的阵列天线耦合抑制方法。超表面覆层不占用天线之间的空间,易于集成,且易于实现结构小型化。本文从表面波耦合和自由空间耦合出发,研究了超表面解耦的理论及实现方法。论文主要内容如下:首先提出一种基于表面波抑制的超表面解耦设计。通过理论推导和理想模型仿真发现当超材料覆层与天线基板电...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?（ａ）接地介质板模型表面波传播模型；（ｂ）接地介质板横向谐振模型??
?第２章基于表面波耦合抑制的超表面去耦方法研究???Ｊｃ＿ＴＥ?￣?．?？?Ｉ??，?ｗ?＿?１，２?…?（２－７）??４／＾／ａ?—?心／／２??／Ｗ＇ｎ??ｖ?ｊ??－Ｎ，?Ｉ?ｖｙ?＼＾??图２．２超越方程组（２－５）解的性质??通过ＴＭ和ＴＥ模式表面波的截止频率公式（２－６）和（２－７），可以得出当介质板??上方为空气层时，即叫￡２为１时，接地介质板上总存在ＴＭ模式的表面波，因为??ＴＭ基模的截止频率为０。而当介质板上方覆盖特殊的介质层时，使得ｇ￡２＝￡ｒ时，??ＴＥ和ＴＭ模式的截止频率都趋近无穷大，这说明此时表面波无法沿介质分界面??传播。??２．２．２?表面波耦合的抑制??由上文可知，当叫Ｓ２＝＆时，接地介质板上的表面波无法传播。因此，可以??通过构造一种具有特定介电常数和磁导率的超材料介质覆盖于天线阵列表面，以??抑制表面波耦合。为了验证这种方法的可行性，同时寻找最佳的参数，首先??仿真了理想均匀超材料覆层覆盖在微带贴片天线阵列上方时天线的耦合情况。仿??真通过ＨＦＳＳ软件进行，验证模型如图２．３（ａ）所示。两个并排放置的微带贴片天??线印刷在介电常数为２．２的介质基板上，基板厚度为１．５２４ｍｍ，两个天线之间的??距离为ｄ＝ｌ〇ｍｍ。天线阵列上面覆盖一大块理想介质体（ＭＴＭｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ），其介??电常数和磁导率的乘积在ＨＦＳＳ中通过添加介质材料设定为不同的值。为了避免??介质层与空气层分界面反射波的影响，理想介质厚度设置为半个波长左右，整体??尺寸为：ＺｍＸＦｍｘ／／ＯＴ＝１１３ｍｍｘ６５ｍｍｘ４０ｍｒｎ。同时，在覆盖层与介质基板之间??插入了一小段空气间隙／ｚａ＝?１
?第２章基于表面波耦合抑制的超表面去耦方法研宄???型的结果，可以确定设计一个等效介电常数和磁导率乘积为３的超表面用于微带??贴片天线阵列的去耦。??－１０－１￣■￣．￣■￣￣■￣Ｉ一￣—｜???此＝１??，备々．厶?－１５：?／?、二：＾２??？?ＭＴＭ?ｓｎｐｅｒｓｔｒａｔｅ?＾７—?—?￣４??Ｉ?－?ｙｆ?，，ｒ＼＾ｐｚ±－??：ｂｍ１??３．２?３．３?３４?３．５?３．６?３．７?３?８??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＨｚ）??（ａ）?（ｂ）??图２．３?（ａ）理想均匀介质体加载的天线阵列模型；（ｂ）理想模型传输系数仿真结果??２．３?方环型缝隙超表面单元设计与仿真??为了设计一种满足的超表面，同时不影响天线的辐射特性，设计了??如图２．４所示的方环缝隙超表面。超表面印刷在介电常数为３．５５的介质板??Ｒ０４００３Ｃ上，厚度ｈ／＝?１．５２４ｍｍ。超表面由４ｘ５个单元组成，每个单元由蚀刻??在金属印刷层上的正方形环状缝隙组成。单元的边长为ｓ／＝?１６ｍｍ，环的边长为??／＝Ｉ５ｍｍ，环宽?ｗ＝ｌｍｍ。??１?－＊！??■?：：??一??ｗ?，＿＿?ｒ?…１??Ｌ．．Ｊ??ｆ?ｊ??Ｓｔ?１??＾ｗｈｗｏｔｉｃ?Ｌｔｍｗｎ＊ｆ?ａ？ｍａｉ？？？ｗ８?ｌｎｎｗｘｗｉｒｌ?ＳｎａＭｗａｍｌ??图２．４方环缝隙超表面及单元尺寸示意图??３－１０?＼?／??￡?％?？？??｜－２。?？，／??？４０?＊??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＨｚ）??（ａ）?（ｂ）??图２．５?（ａ）方环缝隙超表面单元仿真模型；（ｂ）超表面单元传输与反射系数??１０??
本文编号：2948410
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?（ａ）接地介质板模型表面波传播模型；（ｂ）接地介质板横向谐振模型??
?第２章基于表面波耦合抑制的超表面去耦方法研究???Ｊｃ＿ＴＥ?￣?．?？?Ｉ??，?ｗ?＿?１，２?…?（２－７）??４／＾／ａ?—?心／／２??／Ｗ＇ｎ??ｖ?ｊ??－Ｎ，?Ｉ?ｖｙ?＼＾??图２．２超越方程组（２－５）解的性质??通过ＴＭ和ＴＥ模式表面波的截止频率公式（２－６）和（２－７），可以得出当介质板??上方为空气层时，即叫￡２为１时，接地介质板上总存在ＴＭ模式的表面波，因为??ＴＭ基模的截止频率为０。而当介质板上方覆盖特殊的介质层时，使得ｇ￡２＝￡ｒ时，??ＴＥ和ＴＭ模式的截止频率都趋近无穷大，这说明此时表面波无法沿介质分界面??传播。??２．２．２?表面波耦合的抑制??由上文可知，当叫Ｓ２＝＆时，接地介质板上的表面波无法传播。因此，可以??通过构造一种具有特定介电常数和磁导率的超材料介质覆盖于天线阵列表面，以??抑制表面波耦合。为了验证这种方法的可行性，同时寻找最佳的参数，首先??仿真了理想均匀超材料覆层覆盖在微带贴片天线阵列上方时天线的耦合情况。仿??真通过ＨＦＳＳ软件进行，验证模型如图２．３（ａ）所示。两个并排放置的微带贴片天??线印刷在介电常数为２．２的介质基板上，基板厚度为１．５２４ｍｍ，两个天线之间的??距离为ｄ＝ｌ〇ｍｍ。天线阵列上面覆盖一大块理想介质体（ＭＴＭｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ），其介??电常数和磁导率的乘积在ＨＦＳＳ中通过添加介质材料设定为不同的值。为了避免??介质层与空气层分界面反射波的影响，理想介质厚度设置为半个波长左右，整体??尺寸为：ＺｍＸＦｍｘ／／ＯＴ＝１１３ｍｍｘ６５ｍｍｘ４０ｍｒｎ。同时，在覆盖层与介质基板之间??插入了一小段空气间隙／ｚａ＝?１
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