Ku波段电磁聚焦相位梯度超表面设计

针对超表面在电磁聚焦透镜方面的应用,基于环形单元设计了一款应用于Ku波段的多层相位梯度超表面,并探讨了其在提高天线增益方面的应用。结合相位梯度原理,用环形单元构建了焦距为40 mm、单元数为13×13、尺寸为104×104×5.54 mm3、焦径比为0.38的超表面电磁聚焦透镜。研究结果表明,垂直入射的平面波在焦距处横截面上的3 dB焦斑直径约为17 mm,0°~15°角度入射的平面波聚焦性能稳定。另外,该超表面透镜的加载可使微带贴片天线辐射的球面波有效转化为平面波,在天线远场形成定向辐射,提高天线的增益。     

基于尺寸渐变超表面宽带高增益低剖面天线

设计了一种基于尺寸渐变超表面的宽带高增益低剖面天线,该天线由双层超表面和一层微带缝隙组合而成。双层超表面由分别印刷在2个介质板上的尺寸渐变六边形阵列贴片组成,贴片之间存在非等距间隙。超表面单元尺寸渐变设计能够使天线产生多个邻近的谐振点,从而展宽带宽。通过改变超表面天线尺寸结构,分析天线的宽带辐射特性。为获得最佳宽带性能,采用遗传算法优化天线几何参数。制作并测试了一款边长为43.3 mm,厚度为4.853 mm的样本天线用于验证仿真结果。实测结果显示,该天线-10 dB阻抗带宽达到了54%(3.99~6.93 GHz),最高增益达到12.05 dB,在4~6 GHz范围内增益保持在8 dB以上。该天线实现了宽频带、高增益、低剖面的特点,适用于宽带高速率无线通信的诸多领域。     

基于超材料的毫米波汽车雷达喇叭天线设计与优化

应用于汽车雷达上的喇叭天线或透镜天线,为了获得高增益和高方向性,其长度或口面一般较大。为了保持口面大小不变,并且能有效缩短喇叭天线长度来减小体积、节约成本,文中设计了超材料平面透镜喇叭天线。采用此超材料的天线增益相比同尺寸的普通喇叭天线增加了1. 5 dB。进而,通过对喇叭口面的相位分析,采用了一种改进结构,该改进结构的增益相比同尺寸的普通喇叭天线增加了2 3 dB,与同增益同口径面积的普通喇叭天线相比长度缩短了44% 。实测结果表明,该超材料喇叭天线能提高喇叭天线2.5 dB 左右的增益。     

基于相位梯度超表面的高增益天线设计

根据广义Snell 反射定律,相位梯度超表面可在其表面形成额外的平行波矢分量,从而对电磁波的反射进行调 控。如果构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布,那么就可以实现对垂直入射电磁波的聚焦;相反,在超表面焦点处放置 辐射球面波的馈源,球面波经超表面反射可以得到平面波,从而提高馈源增益。本文基于有相位梯度的单元,设计了由13×13 个 单元构成的二维反射相位梯度超表面,并在其焦点处放置贴片天线,构成反射面天线。仿真和测试结果都表明,贴片天线辐射的 球面波经超表面反射后得到了平面波,天线的增益达到20 dB,比贴片天线提高了11.7 dB。     

基于人工电磁表面的超低剖面全介质透镜天线

利用不同厚度的亚波长介质块实现0 ~2π的相位变化,并基于惠更斯人工电磁表面原理设计了工作 于28 GHz 通信频段的全介质电磁透镜,该电磁透镜的焦距与口径比(F / D)为0. 15。通过3D 打印制备该电磁透镜, 并将其与基片集成波导(SIW)贴片天线进行集成,构造了超低剖面的宽带透镜天线。全波分析与实验测量结果显示 该电磁透镜能够将原SIW 贴片天线的增益提高7 dB 左右,而将3 dB 波束宽度减小到10°左右,同时该透镜天线系统 还具有良好的低副瓣。     

基于智能超表面的二维相扫天线

针对传统相控阵天线设计复杂、成本高昂等问题,提出了基于智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)的空间馈电二维相扫天线。该天线通过RIS技术对来自馈源的电磁波进行相位操纵,实现了天线高增益和天线波束的可重构。与传统相控阵天线相比,该天线具有结构简单、成本低廉、剖面极低等特点。天线原型由一块含有1 024个单元的超表面阵列、驱动模块及自支撑馈源组成,其中超表面阵列通过现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)来实时控制以满足天线波束快速切换、方向图二维实时重构等需求。超表面单元两种调控状态在6.5～10.0 GHz具有低于0.5 dB的幅度损耗,在7～10 GHz频带范围内反射相位差在180°±5°以内。天线原型在7.7、8.0、8.3 GHz的测试增益为24.72、24.92、25.06 dBi。天线±60°扫描增益滚降低于4 dB。     

基于开口谐振环的高温超导超增益天线的研究

针对空间天线在移动通信中的应用，设计了一款适用于空间应用的高温超导超增益天线。采用开口谐振环结构，通过类似于八木天线的方式排列以实现天线的高增益，使用超导材料代替传统金属材料降低天线的损耗。仿真结果表明该天线工作在2.45 GHz,增益为7.29 dBi,实验测得天线增益为7 dBi,比哈林顿定义的相同尺寸的天线增益高2.01 dB。该天线具有小型化和高增益的特点，天线尺寸为22 mm×34 mm×0.5 mm。     

小型超表面圆极化天线设计

针对普通圆极化天线设计过程复杂和面积过大的缺点,设计了一款小型化的圆极化缝隙天线,通过加载超表面来实现小型化和圆极化。该超表面天线可以把2个垂直线极化波合成为1个圆极化波,采用不规则的斜十字结构,尺寸仅为25 mm×25 mm×4 mm,就可以在5.74~5.87 GHz范围内实现轴比小于3 dB。该天线结构简单、抗干扰能力强、辐射特性优异,适用于5.8 GHz的阅读器天线和ETC电子不停车收费。     

一种宽1dB增益带宽全介质Fresnel透镜天线

高增益和宽1dB增益带宽天线具有重要意义。文中提出一种E 波段全介质菲涅尔(Fresnel)波带透镜 天线,它包括一个菲涅尔波带透镜以及一个作为馈源的喇叭天线。透镜对电场进行操控,使穿过透镜的电磁波相位变 化满足需求,从而使透镜口径面处的电场分布更加均匀。与传统菲涅尔透镜的焦点电场相比,本透镜在焦点处的电场 值约提高了1. 6~3. 0 V,说明透镜的聚焦特性提高,从而实现更高的增益和带宽。该透镜天线的口径为72 mm,整体剖 面高度仅为52. 47 mm,焦径比为0. 66。透镜采用3D 打印技术进行加工,降低了加工成本。与传统菲涅尔透镜相比,实 测结果表明,该透镜天线在70 GHz 峰值增益达到了27. 5 dBi,1 dB 增益带宽34. 2% (63~89 GHz),占总带宽85. 53%。     

E波段宽带高增益透射阵天线设计

设计了一款E 波段高增益天线,该天线由基片集成波导缝隙天线和透射阵组成。为实现足够的相位补 偿范围,设计了多种贴片结构单元。该透射阵共有289 个单元,口径尺寸为33. 065 mm × 33. 065 mm,该天线的焦径比 为0. 45。实测结果表明,加载透射阵后,SIW 缝隙天线的增益提高了14. 63 dB,在74. 23 GHz 增益达到23. 28 dBi,口径 效率为24. 23%,3 dB 增益带宽为10. 83%。     

一种新型金属透镜天线设计

为了获得具有高增益特性的天线，对传统透镜天线工作原理进行了分析。因为透镜天线板间电场模式与波导中电场模式类似，以此为依据通过改变金属透镜的金属平板间距和板脊高度，设计了一种新型金属透镜天线，迥异于传统金属透镜天线的凹形曲面结构。该天线金属透镜由多片长方形侧面加脊金属板组成，能够很好地调节口径面的相位分布，以此实现口径面同相分布，从而获得高增益性能。     

基于遗传算法的宽带高增益全介质透镜天线优化设计

提出一种基于多目标遗传算法的透镜天线优化方法,将透镜天线的增益和1-dB增益带宽作为优化目标,通过算法改变透镜的拓扑结构来实现优化. 设计了一款宽带、高增益的全介质透镜天线,并利用3D打印技术对透镜进行加工,降低了加工成本. 实测结果表明在6~18 GHz内馈源天线的增益提高了6.4~10 dB,在18 GHz该透镜天线增益达到了23.8 dBi,最大口径效率为51.9%,1-dB增益带宽为40%. 验证了该设计方法的有效性,同时也为透镜天线的优化设计提供了一种快捷、便利的方法.     

基于超材料结构实现5.8GHz RFID天线小型化设计

设计出一款可应用于RFID（Radio Frequency Identification）系统的5.8GHz传统矩形微带天线,天线辐射贴片尺寸为15.74mm×11.12mm,天线的回波损耗（S11）的实测结果为-23.276dB。此后,在矩形微带天线基础上进行设计改进,通过分别蚀刻15个超材料结构I型谐振环和6个超材料结构开口谐振环(Split Resonant Ring, SRR),构造出两款新型小型化天线。与传统矩形天线相比,在保持方向性、最大增益等参数性能基本不变的条件下,基于超材料结构的天线辐射贴片尺寸分别为12.44mm×9.12mm 和11.74mm×9.1mm,相比传统矩形天线分别缩小了35.2%和41.82%,辐射贴片小型化效果明显,其回波损耗实测结果分别为-21.83dB 和-15.40dB。     

一种宽频带高稳定相位中心导航天线的设计

设计了一款基于阿基米德螺旋天线的宽频带高稳定相位中心导航天线.采用阿基米德螺旋天线结构实现了宽带驻波带宽和轴比带宽,结合三维扼流环结构改善了天线相位稳定度和多径抑制能力.通过有限元电磁仿真软件建立了仿真模型和完成了参数优化设计,所设计的宽带高稳定相位中心导航天线的指标达到:在GPS、北斗、GLONASS和Galileo卫星导航系统的所有工作频点上,输入端口驻波比均小于1.45;在俯仰角-60°~60°主波束范围内轴比小于3 dB,相位稳定度在-2.5°~2.5°,方向图增益均在5 dB以上.相比于未加载扼流环,所设计天线的增益前后比改善2~6 dB（仰角60°和仰角120°对应增益差值）.该研究表明,结合了三维扼流环结构的阿基米德螺旋天线综合性能优异,适于设计宽频带高稳定相位中心天线.     

高增益金属透镜天线设计

金属透镜天线具有高增益和大功率容量等优点。采用几何光学原理将一组平行间隔的金属板设计为金属凹透镜,实现对电磁波的汇聚,获得高增益辐射特性。在辐射原理和结构分析基础上,设计了一款工作于X波段(10 GHz)的金属透镜天线,采用矩形喇叭天线作为初级馈源、13片金属板嵌于一只半径为153 mm的PVC筒顶部。仿真和测试结果吻合良好,表明该金属透镜天线性能优异:|S_(11)|<-10dB阻抗带宽为18%(从9.6~11.5 GHz),在10GHz工作频点的增益达到27dBi,相比喇叭天线提高了10.2dB。     

无表面波损耗的孔耦合贴片天线的设计

设计了一种新结构的孔耦合贴片天线。该天线结构将贴片连用制作贴片的介质基板一起放置在一个矩形金属框里，彻底阻断了表面波的传输，该天线结构的尺寸比一般贴片天线要小很多。但却具有更高的增益，还介绍了对该天线结构的数值模拟。样品制作和实验测量，测量数据显示矩形金属框使天线的增益在9GHz到11GHz的频率范围内平均提高了0.7dB，该天线的工作频带超过了20%，带内平均增益为8.3dBi，同时天线具有良好的辐射方向图。     

宽带平面聚焦超表面及高增益天线应用

针对现有的聚焦超表面存在介质层数多、带宽窄的问题,提出了一种基于双层介质的宽带聚焦超表面,该超表面包含两层正交的金属栅格和一层金属箭头贴片,以此实现极化旋转功能,可在较宽的频带内提高天线增益。在9～12 GHz的频带范围内,使用一个F形微带贴片天线作为馈源,验证了提出的平面透镜的宽带波束聚焦能力。仿真结果表明,当加入聚焦超表面后,天线增益在11 GHz处达到最大值18.4 dB,在工作带宽内馈源天线的增益提高了8.95～11.04 dB。由于结构简单、频带宽,设计的聚焦超表面在控制电磁波和设计高增益天线方面有很大的应用潜力。     

宽带高增益圆极化天线

设计了一种宽带高增益圆极化天线。天线采用双同轴线激励以及威尔金森功分器和90°相位比较器的馈电网络形式实现了天线的宽带圆极化特性。该馈电网络形式能在较宽的频带范围内保持稳定的幅度和相位。通过在蝶形天线外围引入方形环,增加了天线的有效辐射面积,从而显著提高了天线的增益。测试结果显示,该圆极化天线VSWR<1.5的阻抗带宽达到63.6%,3 dB轴比带宽达到66.7%,且在1.1~1.6 GHz频段范围内,右旋圆极化增益＞9.4 dB。     

基于层间耦合的宽带毫米波超表面天线

通信技术快速发展,对高速、大容量通信需求迫切。然而,传统频谱资源受限,难以满足需求,毫米波天线备受瞩目。本研究旨在改善传统微带贴片天线的带宽和增益问题。通过加载超表面结构和加强层间耦合的方法,设计了24～50 GHz宽带毫米波超表面天线。该天线采用层压方式将超表面加载在介质层中,通过仿真分析了超表面参数对天线带宽的影响,从而确定最佳天线结构尺寸,并进行了天线的制作和性能测试。仿真和实测结果表明,该天线能够实现24～50 GHz的宽带,相比传统贴片天线,其带宽增加了52.23%,并具有良好的辐射特性和增益性能。该宽带毫米波超表面天线在宽频段通信、5G通信等领域具备广阔的应用前景。     

加载引向器的小型化对跖Vivaldi天线设计与仿真

提出一种加载引向器的小型化对跖Vivaldi天线(AVA)。相比大多数对跖Vivaldi天线,该天线具有非常小的尺寸,其大小只有14 mm×34 mm×0.8 mm。引向器结构设置为三角形,置于天线的开口中间。相比传统的对跖Vivaldi天线,引向器能引导电磁波从天线的口径传输到介质板的边缘,这样造成的反射比较小且传输特性良好。此外,为了减小测量误差,将天线与超小型(SMA)头联合仿真,结果表明,该天线在5.2~11 GHz频段内S11<-10 dB,具有较宽的带宽;且在8.5~11 GHz范围内,天线的增益明显增加,验证了这种新设计的可行性。