宽带/多频高增益孔径耦合超表面天线研究

作     者：王嘉伟 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王明军;吴婷

授予年度：2024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：微带天线 超表面天线 孔径耦合馈电 宽带天线 高增益天线 

摘      要：近年来,随着WiFi和5G技术的快速发展,通信系统对天线的性能要求也在逐渐提高。微带天线具有尺寸小、易加工、易集成等诸多优点,因此在雷达、卫星以及现代移动通信系统中得到了广泛的应用,但微带天线有着工作带宽窄、增益低等缺点。因此,设计满足当前通信系统需求的宽带、高增益天线具有重要意义。超材料及其二维超表面结构可对电磁波进行调制,将其应用在微带天线上可以提升天线性能、展宽带宽、提高增益等,为天线设计和应用提供了新思路。本文围绕在微带天线上方加载超表面结构提升天线性能开展研究,在孔径耦合馈电的基础上,分别在天线上方加载不同形状的超表面结构实现多频段通信以及对天线带宽、增益的提升。具体工作内容如下: (1)设计了一款工作于5.8GHz的超表面宽带天线。天线采用孔径耦合方式馈电。采用哑铃型缝隙结构以及Y型馈电结构,代替传统的矩形缝隙和矩形馈电结构,提高了天线的阻抗匹配能力。由亚波长周期单元构成的超表面位于上层介质基板,实现扩展工作带宽的同时提升天线辐射性能的目的。仿真结果表明,该天线工作在5.0-7.8GHz,阻抗带宽为43.75%,增益峰值为10.7dBi。 (2)设计了一款工作在2.4GHz和5.8GHz的超表面双频天线。天线采用孔径耦合方式馈电。通过在上层介质基板加载4×4的“卍字型单元超表面结构,引入新的谐振点,使天线实现双频段工作。仿真结果表明,天线工作在WLAN频段的2.4GHz和5.8GHz两个频点上,其S11最低值分别为-21.7dB和-17.5dB,带宽分别为400MHz和500MHz,且在各个工作频点增益较高,在2.4GHz处的增益为7.1dBi,5.8GHz处为9.2dBi。 (3)设计了一款应用于WLAN频段的超表面宽带高增益天线。天线采用孔径耦合方式馈电。采用骨头型缝隙结构代替传统的矩形缝隙从而提高天线的阻抗匹配能力,上层介质基板覆有4×4的三角槽组成的超表面结构,扩展工作带宽的同时提升了天线的辐射性能。仿真表明,该天线的工作带宽由最初的6.7%扩展到加载超表面后的23.8%。加载的超表面结构,使天线的辐射主要集中在正上方,减小了后向辐射,天线的增益由3dBi提升至10dBi。为验证所设计的天线的准确性,进行了实物加工和测试,实验结果表明,该天线工作在4.8-6.1GHz,阻抗带宽为23.8%,在5.2GHz时增益峰值为11.2dBi,与仿真结果吻合良好。 本文设计的几款天线通过加载不同形状的超表面结构,有效提高了天线的性能。并对所设计的天线进行了仿真优化和加工测试,为WLAN频段的宽带和双频及高增益天线设计提供了思路。