新型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特性研究及其在高性能天線中的應(yīng)用.pdf

1、人工磁導(dǎo)體(Artificial magnetic conductor, AMC)結(jié)構(gòu)作為一種超材料，具有在特定頻率范圍內(nèi)對平面波呈同相位反射的電磁特性，應(yīng)用于天線設(shè)計中，可突破傳統(tǒng)天線的結(jié)構(gòu)極限，給無線通信系統(tǒng)中天線的發(fā)展帶來了新的設(shè)計思路。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，為了滿足高性能、智能化的毫米波系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的發(fā)展需求，對天線的性能要求也越來越高，高效率、多功能成為現(xiàn)代微波毫米波天線的發(fā)展趨勢。因此，探索新型人工磁導(dǎo)體AMC結(jié)構(gòu)，

2、開展AMC結(jié)構(gòu)在提高天線效率和實現(xiàn)多功能特性等方面的應(yīng)用研究，具有很高的學(xué)術(shù)價值與應(yīng)用價值。本論文從現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對天線的性能需求出發(fā)，針對現(xiàn)有人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的基本特性及其在天線應(yīng)用研究中存在的局限性，我們開展了深入的研究工作。本論文的創(chuàng)新性工作主要以論文的發(fā)表和專利的申請來體現(xiàn)，主體內(nèi)容可以概括如下:
　　1.基于AMC結(jié)構(gòu)的LTCC毫米波天線陣列的高效率、集成化設(shè)計:結(jié)合LTCC多層工藝，提出基于AMC結(jié)構(gòu)的寬帶、高增益的毫

3、米波微帶天線;針對不同傳輸線在LTCC中的損耗特性，提出低損耗的雙層一分四LWG功分網(wǎng)絡(luò)，并與其他網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行了性能比較和可行性分析;提出緊湊型LWG與矩形波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計，并采用背靠背測試件驗證其傳輸性能;將上述工作相結(jié)合，研制出高效率的Ka波段4×4集成天線陣列，提出兩個用于改善天線陣列性能的工程改進(jìn)技術(shù)。通過實物測試，證實了提出的集成天線陣列具有穩(wěn)定良好的輻射性能。該工作為基于LTCC技術(shù)的毫米波系統(tǒng)設(shè)計提供了較大的參考價

4、值。這部分研究成果已在IEEE Transactions on Antennasand Propagation期刊和2013 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and WirelessTechnology Conference(CSQRWC),2013 IEEE International Workshop onElectromagnetics(iWEM)等會議上發(fā)表。
　　2.新型

5、支節(jié)加載AMC結(jié)構(gòu)和非周期排布AMC結(jié)構(gòu)的特性分析及在高性能天線中的應(yīng)用:提出了新型的支節(jié)加載的AMC結(jié)構(gòu)，給出了等效電路分析;將其應(yīng)用于微帶天線中，分析了其支節(jié)的非周期排布對天線性能的影響，通過合理優(yōu)化加載支節(jié)的非周期排布，改善了AMC結(jié)構(gòu)表面電流和天線輻射口徑場的分布一致性，使天線的帶寬和增益得到了明顯的提高;在此基礎(chǔ)上，將支節(jié)加載型AMC結(jié)構(gòu)等效為長方形AMC結(jié)構(gòu)，結(jié)合寄生貼片思想，同時打破AMC結(jié)構(gòu)的尺寸周期性和排布周期性，提出

6、三個高性能微帶天線的設(shè)計方案，并通過實驗驗證其高效率和寬帶高效率的輻射特性。這部分工作為實現(xiàn)高性能天線設(shè)計提供了更大的發(fā)展空間。這部分研究成果已在IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters期刊和2015 Asia-Pacific Microwave Conference上發(fā)表，其中以基于支節(jié)加載AMC結(jié)構(gòu)的高增益微帶天線申請了一項發(fā)明專利。
　　3.新型的具有極化扭轉(zhuǎn)功能的AMC結(jié)構(gòu)

7、及其特性分析:首次提出新型的具有極化扭轉(zhuǎn)功能的人工磁導(dǎo)體，分析其實現(xiàn)極化扭轉(zhuǎn)的機理，提出較為準(zhǔn)確的等效電路;基于二維的Floquet諧波分析理論研究其表面反射場的分布，推導(dǎo)出二維反射系數(shù)與表面阻抗矩陣的關(guān)系;根據(jù)二維反射系數(shù)的幅度和相位分布，進(jìn)一步分析了極化扭轉(zhuǎn)特性及其影響因素，設(shè)計了具有較寬極化扭轉(zhuǎn)頻帶且?guī)?nèi)綜合場為圓極化波的AMC結(jié)構(gòu);此外，還對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)演變和性能比較，總結(jié)出極化扭轉(zhuǎn)AMC結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路。這部分工作為AMC結(jié)

8、構(gòu)的理論分析與設(shè)計提供了很好的理論指導(dǎo)。這部分研究成果已在IEEE Transactions on Antennas and Propagation,IET Electronics Letters期刊和2014年European Microwave Conference上發(fā)表，并獲得IEEE天線與電波傳播/微波理論與技術(shù)香港分會主辦、香港中文大學(xué)承辦的第15屆研究生學(xué)生競賽---天線與電波傳播組最佳論文獎第一名;還以基于人工磁導(dǎo)體的低剖

9、面極化扭轉(zhuǎn)反射板申請了一項發(fā)明專利。
　　4.極化扭轉(zhuǎn)AMC結(jié)構(gòu)在新型的低剖面、寬波束的圓極化天線和極化可重構(gòu)天線上的應(yīng)用:將提出的極化扭轉(zhuǎn)AMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用到偶極子天線中，利用其特殊的極化扭轉(zhuǎn)特性，提出兩種新型的低剖面、寬帶、寬波束的圓極化偶極子天線，并對其進(jìn)行性能比較，發(fā)現(xiàn)基于雙金屬柱極化扭轉(zhuǎn)AMC結(jié)構(gòu)的天線可實現(xiàn)對稱性更好、低仰角特性更好的寬波束圓極化輻射特性;在此基礎(chǔ)上，將極化扭轉(zhuǎn)AMC結(jié)構(gòu)與交叉偶極子天線相結(jié)合，提出可實現(xiàn)右

10、旋圓極化、左旋圓極化和+45°線極化三種極化狀態(tài)的多極化天線;結(jié)合開關(guān)控制的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了三種極化快速切換的新型極化可重構(gòu)天線。這部分工作為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)新穎和原理簡單的可重構(gòu)天線提供了很好的設(shè)計方案，為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的多功能性能需求提供了技術(shù)參考。這部分工作與前面工作結(jié)合，已在IEEE Transactionson Antennas and Propagation期刊和2015年Asia-Pacific Conference on A