【摘 要】
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作为无线通信系统的重要组成部件的天线,其宽带化研究显得尤为重要。近几十年来,微带天线的发展极大推动了天线事业的进步,然而其进一步发展受限于较窄带宽。而近年来,一种直接以超表面作为辐射体的天线发展迅猛,其具备微带天线的低剖面等众多优点,还相比微带天线有着更加丰富的模式和更宽的带宽。尤其是在引入特征模理论来预测模式和指导馈电结构设计之后,超表面天线在宽带等多个方面取得了长足进步。然而,这类天线的馈源还
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作为无线通信系统的重要组成部件的天线,其宽带化研究显得尤为重要。近几十年来,微带天线的发展极大推动了天线事业的进步,然而其进一步发展受限于较窄带宽。而近年来,一种直接以超表面作为辐射体的天线发展迅猛,其具备微带天线的低剖面等众多优点,还相比微带天线有着更加丰富的模式和更宽的带宽。尤其是在引入特征模理论来预测模式和指导馈电结构设计之后,超表面天线在宽带等多个方面取得了长足进步。然而,这类天线的馈源还存在着高后向辐射、馈电结构复杂、多层结构或带宽受限等问题,而且运用超表面多模式来拓展带宽方面的研究也不够深入。因此,如何基于特征模方法,在馈源设计和超表面多模的运用这两方面突破来拓展带宽,有相当的挑战和重要研究意义。基于此,本文进行了以下研究:1.设计了一款单探针馈电矩形介质谐振器激励的超表面天线。首先,利用特征模工具预测超表面边射主模的频率以及所需馈源类型和位置;其次,采用单探针激励起矩形介质谐振器的TExδ11模形成磁流源,进而耦合激励超表面主模J1,馈电简单,还避免地板缝隙以实现高前后比;最后,优化结构参数,对TExδ11和J1模的位置进行合理调整形成双模宽带。仿真结果表明,该天线具备30%的阻抗带宽(|S11|<-10 d B,4.67～6.30 GHz)和15 d B的前后比。2.设计了一款差分馈电矩形介质谐振器激励的宽带超表面天线。首先,采用差分馈电纠正了单探针馈电造成的高频段波束倾斜问题。其次,通过对超表面高次模J9的电流分布建模并提取成阵因子分析,提出加载横向开放式缝隙、缩短周期性并加载纵向缝隙的一系列措施,逐步修复了方向图畸形并改善了带内增益平坦度。最后,设计差分馈电和阻抗匹配网络,将J9引入带内而拓展带宽。仿真和测试结果表明,该天线具备51.4%的阻抗带宽(|S11|<-10 d B,4.38～7.41 GHz),15 d B的高前后比以及5～9 d Bi的增益。3.设计了一款方形半环激励的超表面天线。首先,通过特征模工具预测出超表面模式和合适馈源。其次,提出单层介质板上集成的方形半环作馈源来激励超表面,并使用有源特征模分析验证了其馈电的有效性。然后,借助Smith圆图的指导,逐步在环末端和关节处加载反焊盘,并利用超表面的加载效应,阻抗逐渐匹配阻抗,从而形成半环和超表面主模双模宽带。仿真和测试结果显示,该天线具备22.6%的阻抗带宽(|S11|<-10 d B,4.7-5.9 GHz)且高于17 d B的前后比。此外,该天线还具备单层结构和低剖面的优点。
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