基于超介質(zhì)的高增益射頻天線技術(shù)研究與設(shè)計(jì).pdf

1、電磁超介質(zhì)被提出后便由于其特殊的電磁特性得到了廣泛的關(guān)注，并且電磁領(lǐng)域內(nèi)的眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量深入的研究。但是這些研究主要集中在三維塊超介質(zhì)，三維超介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在天線設(shè)計(jì)中很難實(shí)現(xiàn)共形設(shè)計(jì)。近年來，超表面的提出解決了這一問題，超表面作為超介質(zhì)的延伸和拓展，其是由超介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成的二維薄層平面。按照特定的方式組合不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的超介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射/傳輸相位、極化方式、傳播模式等特性的調(diào)控。通過加載不同性質(zhì)的超表面可

2、以改善天線的特性。
　　射頻識(shí)別作為一種當(dāng)前廣泛應(yīng)用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，要求讀寫器天線具有寬帶、圓極化和高增益的特性，然而常見的天線總是存在著這樣或那樣的不足，限制了其使用范圍。5.8GHz頻段作為 RFID應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中的頻段之一，具有背景噪聲小，數(shù)據(jù)傳輸效率高的特點(diǎn)，常被應(yīng)用于電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)、倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)等。常見的5.8GHz頻段天線存在著面積較大、極化帶寬窄、增益小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。
　　本論文根據(jù)超表面的基本理論，并結(jié)合

3、色散模式圖對(duì)超表面進(jìn)行了深入的研究。同時(shí)，將超表面應(yīng)用于微帶縫隙天線實(shí)現(xiàn)了天線的寬帶化和圓極化特性，以及該天線具有高增益和低剖面的特性。本論文主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.采用傳輸線模型和空腔模型理論，分析了典型超表面單元結(jié)構(gòu)的色散特性，通過對(duì)比理論計(jì)算和數(shù)值模擬仿真得到的不同個(gè)數(shù)單元結(jié)構(gòu)的色散曲線，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。進(jìn)一步通過模型仿真得到指定工作頻率（5.8GHz）的超表面單元結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　2.通過研究微帶縫

4、隙天線接地板與超表面金屬貼片之間的電場分布，分析了超表面加載微帶縫隙天線實(shí)現(xiàn)寬帶特性的機(jī)理。在該理論的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)了微帶縫隙天線的寬帶化，同時(shí)提高了微帶縫隙天線的增益，改善了微帶縫隙天線的方向圖。通過加工測試進(jìn)一步的驗(yàn)證了該理論的正確性。
　　3.依據(jù)二正交線極化波可合成圓極化波的理論方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種極化模式轉(zhuǎn)換超表面——切角型超表面和單邊延長型超表面，并通過等效電路理論分析了這兩種超表面實(shí)現(xiàn)極化模式轉(zhuǎn)換的可行性。
　　

5、4.通過超表面實(shí)現(xiàn)寬帶特性的原理和上面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的兩種極化模式轉(zhuǎn)換超表面，設(shè)計(jì)了兩款基于微帶縫隙天線的寬帶圓極化天線，同時(shí)具有高增益和低剖面的特性。并對(duì)切角型超表面加載微帶縫隙天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)和物理實(shí)驗(yàn)測試對(duì)比，設(shè)計(jì)天線的測試阻抗帶寬為4.7~6.5GHz，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到32％，仿真的相對(duì)帶寬為38%，測試軸比帶寬為5.3~6.5GHz，相對(duì)軸比帶寬達(dá)到20%，仿真的相對(duì)軸比帶寬為20.8%，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。