【摘 要】
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无线通信技术不断迭代发展,天线是不可或缺、至关重要的组成部分,直接关系到信息收发的成功与否、稳定与否、高效与否。电磁波束的极化类型与波束指向逐渐成为行业研究的热点。传统的思路是从天线自身的原理出发,往往具有局限性。无论是正交模式的调制,还是相位调配网络的设置,都在不断加剧圆极化天线与波束偏转天线的工作量与复杂度。电磁超表面的出现,给出了天线设计的新思路,即从天线之外的层级寻求优化的可能。低剖面、结
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无线通信技术不断迭代发展,天线是不可或缺、至关重要的组成部分,直接关系到信息收发的成功与否、稳定与否、高效与否。电磁波束的极化类型与波束指向逐渐成为行业研究的热点。传统的思路是从天线自身的原理出发,往往具有局限性。无论是正交模式的调制,还是相位调配网络的设置,都在不断加剧圆极化天线与波束偏转天线的工作量与复杂度。电磁超表面的出现,给出了天线设计的新思路,即从天线之外的层级寻求优化的可能。低剖面、结构简单、易加工、装配方便等天生优势促进超表面一开始就成为行业的焦点,可以轻松实现线-圆极化转换、交叉极化变换、波束偏转、波束汇聚等功能。本文基于超表面主要研究了极化转换与波束偏转效果,并联合单线极化天线与超表面进行了仿真测试。主要的工作如下:1、单线极化偶极子天线的研究与设计。单元结构采用方形贴片偶极子,距其下方四分之一波长处放置金属地板。馈电采用同轴线馈电并用同外径金属导体进行巴伦平衡。在边长为50mm的地板下,3.34～5.28GHz频带内的驻波比均约在2及以下,4.5GHz处增益约为7.07d B。根据联合仿真需求,进行了地板边长分别为75mm、120mm的仿真分析。最后对地板边长为75mm的天线进行了加工与测试,且结果与仿真基本吻合。2、极化转换超表面以及天面联仿研究与设计。首先设计了中字形、圆片单缝、最终型等单元结构。利用开单缝、中间层挖孔、金属窄条、对称金属化过孔耦合结构,使得最终型单元在2.92～6.19GHz的轴比均约在3d B及以下,相对带宽约72%;2.90～6.04GHz的总透射比均约在-3d B及以上,相对带宽约70%。将单元按照8×8排布组阵,并与线极化天线进行联合仿真,使原天线工作带宽的约69%实现了线-圆极化转换。另外,最终型结构单元经过参数调整可以实现约84%的3d B轴比相对带宽。最后对超表面与天线进行了加工与实测,且结果与仿真基本吻合。3、波束偏转超表面以及天面联仿研究与设计。首先设计了直接型、双缝型、最终2-3-4型单元结构。利用双开缝、双层圆孔耦合、三层主辐射片耦合、对称短路金属化过孔等结构,使得2-3-4型自旋转90°便可产生180°相位突变的效果。3.85～5.20GHz的相位差稳定在约163～217°左右,其中频带的约81%的相差浮动在163～195°。在3.82～5.43GHz内的传输幅度,均约在0.70及以上,其中约83%的频段内,幅度值均约在0.88及以上。为探究最佳的超表面排布,先后进行了x、y周期排布的影响分析与8421法排布分析。最终选定了284-0010排布法,天面联合仿真得到,小于等于2的驻波比频带从3.27～5.28GHz扩展到3.00～5.27GHz。基本实现了宽频带内-41°～-45°的波束偏转,在4.02～4.66GHz、4.93～5.10GHz频带内,-45°的增益均大于或近似等于单独天线在0°的增益。
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