基于平面微带结构超介质天线设计与分析

利用开槽曲流技术构建了一种工作频段位于S、C波段内的多频微带贴片天线,根据传统立体左手材料的变型结构设计了一种新型平面微带结构的超介质。在微带贴片天线的介质基板内加载超介质覆层后,天线工作频率降低,频带展宽以及辐射性能得到改善。HFSS和Matlab仿真实验结果表明,新型平面微带结构的超介质在2.7~4.9GHz和5.0~5.5 GHz两个频段内具有等效介电常数和等效磁导率均小于0的左手特性,工作频率在2.66,3.67,4.66和5.49 GHz的微带贴片天线加载超介质覆层后,其谐振频率分别降低了140,140,210和270 MHz,同时4.60~4.78GHz的工作频带展宽了160 MHz。该超介质微带天线可以运用于实际的WLAN或WIMAX通信中。     

基于复合超介质基板的微带天线设计与分析

利用方形开口谐振环、微带线和缺陷地结构建构了一种结构较为简单、便于调节的腔体型结构超介质。仿真结果表明,设计的超介质在1.0~3.6 GHz、3.8~7.1 GHz和7.2~8.0 GHz三个频段内均具有等效介电常数和等效磁导率小于零的左手材料特性。将超介质单元周期性地镶嵌在一种普通多频微带天线的介质基板内,实现了基于复合超介质基板天线。测试结果表明,在工作频率为1.61,3.44和3.9 GHz的微带天线中加载这种超介质结构覆层后,其谐振频率分别降低了60,70和40 MHz,同时将4.53~4.80 GHz和4.97~6.00 GHz两个工作频段扩展为4.6~6.0 GHz的超宽带。所设计的天线整体性能良好,且满足了WLAN在5 GHz通信频段的要求。     

一种应用于TD-LTE通信终端的天线设计与研究

运用传统的缝隙刻蚀技术与短路针加载技术,设计了一种构造简单的普通微带天线。同时将由微带线、三角形开口谐振环和缺地陷结构组建的超介质覆层加载到普通微带天线上方,构建形成一种基于超介质覆层的微带天线。MATLAB和HFSS联合仿真结果表明,超介质覆层在1-3GHz频段内具有负等效介电常数和负等效磁导率的特性。与普通微带天线相比,基于超介质覆层微带天线工作频带由原来的1.88-1.92GHz、2.6-2.65 GHz分别扩展为1.86-1.91GHz、2.57-2.64GHz,增益的最小增幅达到0.02d B。设计的超介质微带天线的工作频段和增益均满足了TD-LTE(1.880-1.900GHz、2.575-2.635 GHz)通信要求,其扩频手段和提高增益的方法也为设计性能更为优良的TD-LTE天线提供了一种参考思路。     

基于复合超介质基板的微带天线设计与分析

利用方形开口谐振环、微带线和缺陷地结构建构了一种结构较为简单、便于调节的腔体型结构超介质.仿真结果表明,设计的超介质在1.0～3.6GHz、3.8～7.1GHz和7.2～8.0GHz三个频段内均具有等效介电常数和等效磁导率小于零的左手材料特性.将超介质单元周期性地镶嵌在一种普通多频微带天线的介质基板内,实现了基于复合超介质基板天线.测试结果表明,在工作频率为1.61,3.44和3.9GHz的微带天线中加载这种超介质结构覆层后,其谐振频率分别降低了60,70和40MHz,同时将4.53～4.80GHz和4.97～6.00GHz两个工作频段扩展为4.6～6.0GHz的超宽带.所设计的天线整体性能良好,且满足了WLAN在5GHz通信频段的要求.     

双层新型左手超介质覆层在WLAN天线中的应用

研究加载左手超介质覆层对天线性能改进为目的,基于传统的开口谐振环和金属杆的变形组合,设计出一种等效介电常数和磁导率均小于0的多左手频带超介质覆层。将此覆层加载在工作频段为5.15-5.35GHz,5.725-5.825GHz的WLAN微带天线上,天线工作频率降低且辐射方向图得到了良好的改善。HFSS和MATLAB仿真结果表明,设计的左手超介质覆层在2-3.5GHz, 3.8-7.3GHz和7.5-12GHz三个频段具有左手特性,WLAN双频天线在加载双层左手超介质覆层后,工作频率分别降低了0.04GHz和0.09GHz,其最大增益分别提高了1dB和1.4dB,从而验证了设计的正确性。同时为设计性能更为优良的左手超介质覆层天线提供了新思路。     

基于各向异性混合介质近零折射率超材料的高增益微带天线

根据斯涅尔定律,透过近零折射率超材料(Near Zero Index Metamaterials,NZIM)的电磁波会变为垂直于超材料表面的高指向性波束。这种特性使NZIM材料被广泛应用于高增益及高定向性天线设计中。基于此,设计一款基于各向异性混合介质近零折射率超材料的高增益微带天线。混合介质超材料单元由F₄BM介质及高纯度铜导体组成。根据金属等离子体理论,金属阵列等离子体频率与入射波谐振频率相近时,会呈现近零介电常数。通过合理调节金属半径及介质单元周期,最终使该混合介质在9.5～10.2 GHz频段内折射率近零且等效阻抗接近1,能够与空气匹配。对基于混合介质超材料的微带天线进行加工测试,结果表明,加载混合介质覆层后,微带天线增益明显提高,最大增益提高4.1 dB。     

共面波导馈电的三频微带天线设计

文章设计了一款基于共面波导馈电的矩形微带天线,通过在矩形贴片天线辐射体上加载双开口谐振环使其同时工作于无线局域网(WLAN)频段和全球微波互联接入(Wi MAX)频段,以及X波段下行频段。通过仿真可知此天线在3.04~3.76GHz,5.2~6.2GHz,7.5~7.9GHz这3个频段内回波损耗均小于-10d B,具有良好的三频特性。     

一种单面双L型异向介质的设计及分析

针对目前已有的异向介质带宽窄,结构复杂的缺点,设计了一种工作在Ku波段的单面双L型异向介质结构。通过采用电磁仿真方法,建立平面电磁波垂直入射异向介质平板的模型,并提取其传输和反射数据;借助MATLAB工具,根据NRW（Niconlson－Ross－Weir）方法从中提取出该新型结构的等效介电常数和等效磁导率。仿真结果表明,这种单面双"L"型的结构在频段为14．2~15．9 GHz的等效介电常数与等效磁导率同时为负,其有效绝对带宽1．9 GHz;在11~17 GHz频段内的有效相对带宽为31．7%。因为这种异向介质结构在特定工作频率下电磁参数同时为负值,并且通过计算频率为15 GHz时的电磁波的相速为－2×107 m/s,验证了该异向介质的结构具有后向波特性。这种结构具有便于制造及可控两大优势,具有很大的应用前景。     

一种C波段压控超材料表面

提出了一种C波段透射率可调的压控超材料表面。该超材料表面由加载变容二极管的新型可调超材料单元构成,通过直流偏置电压控制变容二极管的电容值,调节超材料单元的电磁特性。通过仿真并计算超材料单元的散射系数、等效介电常数和等效磁导率,该单元的可调谐振频域为5.2~5.6 GHz。将压控超材料表面与微带天线相结合,超材料表面透射率可改变天线远场辐射方向图,通过其对远场辐射方向图的调节,验证了可调超材料表面的性能。对设计的压控超材料表面加0.5~10 V的直流偏置电压,该超材料表面工作频率为5.4 GHz,其透射率能有效调节20 dB。     

低谐振频率电磁超材料单元设计与仿真

针对目前人工电磁超材料的谐振频率(吉赫兹(GHz)或太赫兹(THz))较大的问题,该文提出了一种新型尺寸较大的双面螺旋结构单元模型。通过HFSS仿真软件,建立了电磁超材料单元模型,分析了结构单元的S参数。采用Smith提取算法,得出了等效介电常数和等效磁导率的数学表达式。仿真结果表明,在2.0～2.1 MHz时,等效介电常数恒正,等效磁导率实部达到负极值,而等效磁导率的虚部也达到了最大值,即该频段为材料板的谐振频段,呈磁单负材料属性。     

超介质覆层在偶极子天线上的应用

以研究超介质覆层对天线为目的,基于超介质理论中细导线阵列尺寸与等离子体工作频率关系的数学模型,将一个理想偶极子嵌入到周期性细导线圆阵列构成的超介质覆层中,设计了一种超介质覆层加载的高增益全向天线。该天线辐射特性的仿真结果表明,在1.57~1.65 GHz频段范围内,理想偶极子的增益从2.4 dBi提高到7.7 dBi,并呈现出高收敛性及全向性。所采用的数学模型计算出的理论结果与该天线的仿真结果基本吻合,验证了将该数学模型应用于天线设计的正确性,利于缩短天线开发周期,并对分析细导线阵列的负介电常数、负折射率的产生机理具有一定指导意义,对设计性能更完善的超介质覆层加载的天线提供了理论依据。     

超表面加载极化可重构双极化微带天线设计

基于超表面结构设计了一种2.555~2.655 GHz频段的极化可重构双极化微带天线。首先根据微带天线理论设计了缝隙耦合正交馈电的双极化微带贴片天线,然后提出并设计了一种方形切角的新型超表面结构,并将该超表面放置在双极化微带天线上,通过机械方式旋转超表面,实现了左、右旋圆极化和水平、垂直线极化之间的极化转换。利用HFSS仿真软件对该超表面加载微带双极化天线进行了仿真。结果表明,该双极化天线能够便捷地实现极化转换,且在两种极化状态下,天线在工作频带内的回波损耗小于–10 dB,隔离度大于20 dB,圆极化工作状态下的轴比小于3 dB,天线的整体性能良好。     

基于光子晶体的小型微带天线的分析与设计

针对传统微带天线低频端尺寸较大的缺点,设计了一种基于光子晶体的新型微带天线结构,即通过采用在传统微带天线贴片下方挖出凹槽,将辐射板放入凹槽中,并在微带天线的介质基板中引入高度不同的周期性圆柱空气隙光子带隙（PBG）结构的设计方案。采用基于有限元方法的电磁仿真软件HFSS 10．0对所设计的天线进行了仿真。仿真结果表明,当回波损耗小于-10．0dB时,天线的工作频段分别为2．40GHz～2．51GHz和3．54GHz～3．62GHz,且天线在这两个频段内具有良好的辐射特性。与传统的微带天线相比,所设计的天线后向辐射明显降低,且其整体尺寸减少了59．19％,从而验证了这种设计方案的有效性。     

基于超介质的超宽带小型化天线设计

采用SRR 环和CLP 环两种不同谐振单元,构造了一种新型超介质结构单元。该单元的电谐振和磁谐振的谐振频点比较接近,易于频带融合,从而拓展超介质材料双负(介电常数和磁导率都为负)特性的频率带宽。利用加载的方法,在单极子天线上加载该种新型超介质结构单元,以改善天线的辐射特性。利用电磁仿真软件对其进行了仿真设计和优化。仿真结果表明,该天线实现了超宽带工作,在3. 8 ~ 14GHz 的频率范围内,驻波比小于2;同时,天线实现了高增益特性,在整个频率范围内,增益都高于7dB。最后,对天线进行了加工测试,实验测试结果与仿真结果基本吻合,进一步验证了该天线的工作性能。     

宽频化与小型化微带天线的研究与设计

以微带天线技术为基础,以工作于ISM频段微带贴片天线为例,采用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS,对不同介电常数、不同介质板厚度、矩形贴片开槽开缝、加载寄生贴片等微带贴片天线进行了仿真。通过数值分析,阐述了介电常数、基板厚度、贴片开槽、寄生贴片等因素对微带贴片天线尺寸和频带宽度的影响。仿真结果表明,设计能够实现两种性能的天线结果,天线的宽度达到36%。天线的尺寸缩小了34.2%。     

一种应用于WLAN的左手材料微带天线设计

通过在贴片上刻蚀不对称的U型缝隙和引入两组短路针接地,设计了一种多频小型化微带天线.加载平面型左手材料覆层到微带天线贴片上方,进一步构建一种各项性能均能满足WLAN技术要求的左手材料微带天线.本设计的左手材料微带天线不仅覆盖了WLAN的所有高低频段,而且具有良好的方向性,可为无线通信系统实际应用提供参考.     

一种K波段电磁超材料的设计及其在微带天线中的应用

根据电磁材料的相关理论,设计出一种由新型谐振器和金属线组成的电磁双负超材料,即介电常数和磁导率同时为负的电磁材料。新型谐振器通过较小谐振腔并联的方式,在较大的单元尺寸下提高了谐振频率,既使该电磁超材料在K波段实现了双负特性,又保证了材料的辐射面积,克服了高频段超材料由于尺寸太小而难以应用的困难。设计出一种K波段的微带天线,将新型谐振器加载在天线上,并用HFSS软件对未加载谐振器和加载谐振器的天线进行仿真对比。仿真结果表明,相比普通天线,加载新型谐振器的微带天线性能得到明显提升,驻波比2 d B以下的带宽增加了58.3%,增益变大,并且由于谐振器对天线副瓣的抑制,提高了天线的方向性。     

具有宽带特性的超材料设计与分析*

分别提出具有宽带负磁导率特性的圆盘结构超材料和具有宽带双负特性的互联圆盘结构左手材料。对任意极化的垂直入射波,圆盘结构超材料可在8.71GHz到15.19GHz的频段上产生负的磁导率,而互联圆盘结构左手材料则可在6.04GHz到7.40GHz的频段上产生双负特性。通过有限元仿真、本构参数提取、表面电流分布计算、结构参数扫描等方法,对圆盘结构进行了详细分析。结果表明,该结构通过外加磁场激励起的电流环路构成磁谐振回路,进而获得负磁导率特性。利用无限划分的方法,分析了该结构实现宽带特性的原理,推导了等效的磁谐振频率和品质因数的计算公式,并给出其等效电路结构。通过参数扫描,分析了贴片半径、基板介电常数、损耗特性和入射角大小对负磁导率特性的影响规律。对互联圆盘结构左手材料,在提取其等效本构参数的基础上,着重分析了电响应特性,详细推导了等效电等离子体频率的计算公式。     

E型左手材料

由于E型结构具有产生负磁导率所需的等效电感和等效电容,据此提出一种新型左手材料,用E型SRR来实现负的磁导率,金属线结构来实现负的介电常数。等效模型分析证实这个结构确实能够实现稳定的左手特性。有限元法仿真并用S参数法提取等效介电常数、等效磁导率和折射率,得到样本在11.5～14GHz频段内具有明显的负折射率特性。棱镜折射实验也再次证明了该结构的负折射率特性。     

基于LTCC超材料基板的小型化V波段毫米波微带天线设计

本文介绍了一种基于LTCC超材料（metamaterials）基板的小型化V波段毫米波微带天线设计。通过HFSS仿真软件获得LTCC超材料基板的S参数,使用改进的S参数提取方法获得材料的等效介电常数和磁导率。利用LTCC超材料替代普通介质基板,实现了毫米波微带天线的小型化,并与常规介质基板天线的性能进行了对比。