EBG天线的设计研究

作     者：张道亮 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜宇

授予年度：2015年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：EBG结构 超材料 陷波天线 反射板天线 HP-EBG反射板 

摘      要：21世纪以来,电磁带隙结构、左手材料、双负媒质、软/硬表面等新颖的人工电磁超材料不断涌现,它们因为具有自然界材料所不具备的新颖的电磁特性而在无线通信及微波射频等领域具有巨大的应用潜力。电磁带隙(EBG)结构,因具有独特的频率带隙和相位带隙两大特性,为当前天线设计领域出现的关键技术难题提供了可能的解决方案。因此,设计新型的EBG结构并探究EBG结构在天线新领域设计中的应用具有学术价值和应用前景。本文基于EBG频率带隙和相位带隙特性,设计研究了多款新型高性能EBG天线,软件仿真和实测结果证明了设计方法的有效性。其研究内容和研究成果概括如下:首先,通过电磁理论和数值仿真的方法,分析了EBG结构频率带隙和相位带隙两个基本特性的形成机理,并运用合适的仿真模型分析了EBG关键参数对EBG频率带隙和相位带隙的影响,为后续EBG天线的设计研究打下了理论基础。其次,基于EBG结构的频率带隙特性,针对现有陷波技术中尺寸大、陷波频段少、阻带宽、陷波频段相互影响等技术难题,设计了改进型SCLV-EBG单元谐振器,大大减小了EBG谐振器的尺寸和谐振带宽。以此为基础,设计了多款基于SCLV-EBG谐振器的单陷波和四陷波超宽带天线,经过软件仿真和实物测试,所设计的SCLV-EBG四陷波天线满足超宽带无线通信系统的带宽要求,并有效地抑制了WiMAX、WLAN双频、X波段下行卫星通信四个频段的信号,各个陷波频段隔离度高,具有较高的频谱利用率和稳定的辐射特性。最后,基于EBG结构的相位带隙特性,针对EBG相位带隙反射板天线设计中剖面高、反射板面积大、辐射增益小、极化转换效率低等技术难题,以双向辐射偶极子为天线原型,首先设计了C-EBG反射板低剖面天线,整体剖面仅为天线工作频率波长的1/11。在此基础上,设计了小型双层互补EBG高增益天线,天线面积减小了61.93%,并大幅提高了天线的辐射增益,通带内增益最大提高达13dB。然后,设计了HP-EBG高增益圆极化天线,在保证天线低剖面、小型化、高增益的基础上,实现了天线通带内152MHz的圆极化辐射带宽,并保证了通带内10dB以上的最高辐射增益,相比于现有文献中的EBG天线具有极化转换效率高、增益高的优点。最后对HP-EBG反射板天线进行实物加工和测试,测试结果和仿真结果基本吻合,证明了设计方法的有效性。