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宽带平面聚焦超表面及高增益天线应用

电子元件与材料 2019年第11期38卷 84-88页

作者：李聪陈明王开开邢琼西安邮电大学电子工程学院

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9~12GHz的频带范围内,使用一个... 详细信息

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9~12GHz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11GHz处达到最大值18.4dB,在工作带宽内馈源天线的增益提高了8.95~11.04dB.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.

关键词：聚焦宽带双层介质超表面高增益天线

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基于阻抗表面加载的小型化全向高增益天线

无线电工程 2022年第2期52卷 186-191页

作者：赵家标史进科何翼景北京理工大学集成电路与电子学院北京市毫米波与太赫兹技术重点实验室北京100081

提出了一种基于阻抗表面加载的紧凑型水平极化全向高增益腔体天线。通过在由5个腔体级联构成的全向天线中央加载深度可调的梳状阻抗表面,可在宽带频率范围内降低天线的谐振频率,即实现天线的小型化。该梳状阻抗表面是由一维周期性亚波... 详细信息

提出了一种基于阻抗表面加载的紧凑型水平极化全向高增益腔体天线。通过在由5个腔体级联构成的全向天线中央加载深度可调的梳状阻抗表面,可在宽带频率范围内降低天线的谐振频率,即实现天线的小型化。该梳状阻抗表面是由一维周期性亚波长金属线阵列构成,可等效为在天线辐射口径均匀加载的并联电容。仿真结果表明,通过调节阻抗表面的插入深度,天线的尺寸可缩小42.3%。同时,该天线可在整个调节范围内(频率比1∶1.7)保持良好的全向辐射特性(不圆度小于2.5 dB)、阻抗匹配特性(|S_(11)|]增益为6.8~8.5 dBi,可应用于体积受限的全向无线通信系统。

关键词：阻抗表面腔体天线天线小型化高增益天线

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基于超表面的多功能高增益天线

基于超表面的多功能高增益天线

作者：杜泽清电子科技大学

学位级别：硕士

高增益天线在卫星通信、深空探测、雷达等领域的远距离无线通信系统中是十分重要的。平面反射阵天线具有高增益、平面结构、馈电网络简单等优势,折合式反射阵天线进一步降低了剖面高度,近些年引起了学者的广泛关注。随着电子信息的不断... 详细信息

高增益天线在卫星通信、深空探测、雷达等领域的远距离无线通信系统中是十分重要的。平面反射阵天线具有高增益、平面结构、馈电网络简单等优势,折合式反射阵天线进一步降低了剖面高度,近些年引起了学者的广泛关注。随着电子信息的不断发展和技术迭代,单功能的器件已经不能满足现代无线通信系统的设计需求,因此高性能、多功能、集成化天线有重要的研究意义。超表面作为超材料的二维形式,可以对电磁波的电磁参数灵活调控,为多功能天线的设计提供了更多的可能性。本课题将多功能超表面的设计与平面高增益天线结合,实现高增益的多功能天线设计。主要工作内容如下:1、设计具有准椭圆滤波特性的极化敏感频率选择超表面调控电磁波的幅度和极化,结合汇聚电磁波束的1-bit反射面,实现准椭圆滤波特性的高增益天线设计。首先介绍频率选择超表面的滤波特性工作机制,分析了超表面对电磁波极化和幅度调控的性能;接着提出具有极化扭转特性的1-bit反射单元;最后1-bit反射单元按照电磁波空间相位延迟补偿的顺序分布作为主反射面、频率选择表面作为副反射面形成折合式反射阵天线。仿真和测试结果表明该天线在通带内具有高增益和准椭圆滤波特性。2、设计可以独立调控电磁波透射幅度和相位的超表面作为法布里-珀罗谐振腔天线的部分反射面,用简单馈电结构产生高增益的涡旋电磁波。首先采用加载螺旋相位板的超表面作为法布里-珀罗谐振腔天线的部分反射面,馈源为矩形微带天线,产生了模式数为+1的高增益涡旋电磁波;接着分别设计可独立调控电磁波透射幅度和相位的线极化和圆极化超表面作为部分反射面,将天线从三维结构降为二维结构,实现基于超表面的高增益涡旋电磁波发生器设计。3、设计同时独立调控不同旋向圆极化电磁波的反射和透射相位的超表面,基于棋盘格图样设计超表面排列顺序,实现高增益辐射和带内共极化低散射特性一体化天线设计。首先阐述了高增益辐射和带内共极化低散射特性一体化天线的工作机制;其次从天线理论和仿真结果分析超表面对电磁波反射和透射相位的调控机制;接着简述了天线整体的设计步骤;最后仿真和测试结果表明所设计的天线可产生高增益的右旋圆极化电磁波,同时对带内共极化和交叉极化电磁波均有低散射特性,实现了高增益辐射和带内共极化低散射特性一体化天线的设计。

关键词：高增益天线超表面多功能天线

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平面寄生阵列加载的宽带高增益天线

平面寄生阵列加载的宽带高增益天线

作者：徐媛西安电子科技大学

学位级别：硕士

现代无线通信系统的不断发展对天线的带宽、增益等辐射性能提出了更高的要求。阵列天线在获得高增益特性的同时,其复杂的馈电网络所引起的低效率及实现复杂度问题也不可被忽视。因此,设计不需复杂馈电网络的宽带高增益天线已成为一个新... 详细信息

现代无线通信系统的不断发展对天线的带宽、增益等辐射性能提出了更高的要求。阵列天线在获得高增益特性的同时,其复杂的馈电网络所引起的低效率及实现复杂度问题也不可被忽视。因此,设计不需复杂馈电网络的宽带高增益天线已成为一个新的研究热点。本文结合科研课题,以对宽带高增益天线的需求为背景,对平面寄生阵列加载的高增益天线进行了研究。1.加载寄生阵列的高增益天线设计。加载寄生引向单元的个数对提高天线的方向性有重要影响,本文研究了寄生单元的个数以及寄生单元的排列方式对天线的匹配、增益等性能的影响。以加载3?3平面寄生阵列为基础,设计出最大增益值为11.42dBi的高增益天线。天线|S11|＜-10dB的阻抗带宽为38.8%（1.83GHz-2.71GHz）,在整个工作频带内增益都大于9.2dBi。以加载4?4平面寄生阵列为基础,设计出最大增益值为12.02dBi的高增益天线。天线|S11|＜-10d B的阻抗带宽为37.3%（1.83GHz-2.67GHz）,在整个工作频带内增益都大于9.5dBi。2.电容加载的平面寄生阵列谐振腔天线设计。设计了具有单层平面寄生阵列结构的谐振腔天线,该天线在实现宽增益带宽的同时也实现了小型化。其中,基于强耦合天线阵列的理论,在平面寄生阵列覆层寄生单元结构的设计中引入了电容耦合作用,即将两个有重合部分的完全相同的等腰三角形分别印刷于厚度为1mm的介质板的两侧作为平面寄生阵列的单元结构。对比无电容耦合作用引入的平面寄生阵列,天线的3dB增益带宽增加了7.6%,同时,平面寄生阵列覆层的尺寸减小了27%。测试结果表明,天线实现了32%（8.8GHz-12.2GHz）的3d B增益带宽,频带内的最大增益值为13.5dBi。在驻波比小于2的条件下,天线的阻抗带宽为40.9%（8.45GHz-12.8GHz）。

关键词：高增益天线宽带天线寄生单元平面寄生阵列电容耦合

基于特征模理论的滤波天线以及高增益天线设计

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基于特征模理论的滤波天线以及高增益天线设计

作者：楚佰通安徽大学

学位级别：硕士

在传统的天线设计过程当中,往往需要进行大量的仿真优化工作,这不仅使天线的设计周期偏向于漫长,也使得天线的设计过程中缺乏理论性的指导,然而特征模理论（Characteristic Mode Theory,CMT）的提出弥补了传统方法的不足。在CMT中,通过... 详细信息

在传统的天线设计过程当中,往往需要进行大量的仿真优化工作,这不仅使天线的设计周期偏向于漫长,也使得天线的设计过程中缺乏理论性的指导,然而特征模理论（Characteristic Mode Theory,CMT）的提出弥补了传统方法的不足。在CMT中,通过对辐射结构进行特征模式分析,可以获得所有具有潜在辐射能力的模式,并且可以根据模式电流的分布特点合理地设置馈电结构,以实现所需要的辐射特性。基于CMT的天线设计方法大大减少了仿真优化带来的工作量,也可以为天线设计提供物理层面的支持,因此得到了学者们的广泛关注。本篇论文基于CMT对高增益天线和滤波天线的设计方法进行了研究。本文基于CMT提出了一款双极化滤波天线,该天线的双极化频段可以覆盖2170-2450 MHz,并且在辐射频段之内具有良好的端射特性和优秀的带外抑制水平。本文在普通微带天线的基础上增加寄生贴片作为主要辐射结构,该结构克服了普通微带天线带宽较窄、增益较低等缺点,但是由于反射系数变化缓慢和高频缺少有效的辐射零点,导致不工作的频带内增益偏高以及带外滤波特性较差等缺点。进一步通过特征模式分析后可得,在寄生贴片处进行开槽可以获得高频的辐射零点和改善反射系数。与传统方法相比,本文所设计的滤波天线结构简单,不需要外加滤波结构,仅依赖天线本身产生滤波特性。最终天线尺寸为2.17λ0×2.17λ0,之后对仿真模型进行加工测试,仿真结果与测试结果几乎吻合。本文基于CMT提出了一款高增益、低副瓣微带天线,用来补偿由中远距离传输带来的损耗。首先使用CMT分析微带天线的TM05模式,并通过开槽以及弯曲微带线的方法使得TM05模式具有高增益、低副瓣的辐射特性。最后添加馈电端口获得对TM05模式的激励信息,并根据该信息设计一款可用于激励TM05模式的馈电结构。与传统方法相比,本文将所使用到的高次谐波阶数扩展到了五阶,获得了高达14.1 d Bi的增益,并且主副瓣电平比在13.8 d Bi以下,具有良好的高增益、低副瓣辐射特性。

关键词：特征模理论双极化天线滤波天线高增益天线

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高增益天线在高铁4G覆盖中的应用分析

通讯世界 2017年第4期23卷 20-21页

作者：张宏亮周健张磊刘小伟安徽电信规划设计有限责任公司移动通信咨询规划设计院安徽合肥230031 中国电信股份有限公司六安公司无线维护中心安徽六安237005 中国电信股份有限公司安徽公司网络发展部安徽合肥230031

随着高铁的普及与发展,高铁的4G覆盖及客户感知已成为运营商关注的焦点,也是4G网络核心竞争力的有力体现。如何解决高铁车体穿透损耗大、行驶速度快带来的覆盖质量问题,是目前高铁4G网络建设面临的难点与挑战。本文通过理论分析并结合... 详细信息

随着高铁的普及与发展,高铁的4G覆盖及客户感知已成为运营商关注的焦点,也是4G网络核心竞争力的有力体现。如何解决高铁车体穿透损耗大、行驶速度快带来的覆盖质量问题,是目前高铁4G网络建设面临的难点与挑战。本文通过理论分析并结合应用实践,总结并提出了高增益天线在高铁4G覆盖中的应用建议,对后期高铁4G网络建设具有一定的参考意义。

关键词：穿透损耗高增益天线高铁4G覆盖

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近零折射率覆层高增益天线研究

近零折射率覆层高增益天线研究

作者：周凯西安电子科技大学

学位级别：硕士

近零折射率超材料覆层因其对电磁波的传播具有能量隧穿效应和近乎为零的折射率效果在无线通信领域具有十分广阔的应用前景。传统天线覆层使得天线剖面大幅度增加,这大大限制了覆层在天线上的应用。近零折射率材料能够使得电磁波垂直材... 详细信息

近零折射率超材料覆层因其对电磁波的传播具有能量隧穿效应和近乎为零的折射率效果在无线通信领域具有十分广阔的应用前景。传统天线覆层使得天线剖面大幅度增加,这大大限制了覆层在天线上的应用。近零折射率材料能够使得电磁波垂直材料表面出射,合理设计覆层与天线的高度l,覆层的尺寸a等较敏感参数,能够在不明显增加天线剖面情况下有效增加天线增益。本文将从这些方面入手,旨在为超材料覆层高增益天线提供应用的理论指导、低剖面设计和最优加载方案。本文首先从研究背景、研究现状以及未来研究方向等方面阐述了近零折射率超材料的原理以及在高增益天线上的应用。系统介绍了近零折射率超材料对电磁波传播的两大影响,即电磁波隧穿效应和波前整形效应。从???平面的坐标轴出发,在四个方向研究近零折射率超材料。通过二维和三维仿真实验,验证了当r?近零时,电磁波将发生隧穿效应。当相对介电常数和磁导率同时近零时,电磁波还能几乎无反射地透过超材料。根据Snell定律,材料的近零折射率能够使得出射电磁波传播方向垂直材料的出射面,实验仿真验证了这一点,为其在高增益天线上的使用奠定了理论基础。然后,通过使用Matlab-HFSS API,编写Matlab程序控制HFSS建立大量Fishnet模型,计算不同尺寸下的S参数,然后将S参数导入反演程序,找到相对介电常数和相对磁导率的近零频点。将得到的频点数据与结构尺寸进行拟合,最终得到材料近零频率点和结构参数的计算公式。通过运用公式计算以及仿真验证了拟合公式的有效性。再者,通过前面的理论指导,将理想的电近零(ENZ)、磁近零(MNZ)和双近零(DNZ)超材料分别加载到X波段标准喇叭天线上。研究发现,当喇叭天线加载ENZ材料覆层时,喇叭的E面方向图被压缩;当喇叭天线加载MNZ材料覆层时,喇叭的H面方向图被压缩;当喇叭天线加载DNZ材料覆层时,喇叭的E面和H面方向图均被压缩。三种近零折射率超材料均有改善喇叭天线增益的效果,在距离喇叭口径为1mm或者2mm出的增益达到最大,随着距离增大,增益下降。当覆层距离喇叭高度确定时,增益在某些频点会急剧下降。通过等效电路的计算,得出激励源的阻抗随频率变化的关系式,然后计算覆层距离喇叭激励源不同高度与波长的关系,判断在两个增益凹陷频点处整个系统发生了谐振。进一步,将激励源和喇叭波导部分进行电路等效,通过等效电路计算的S参数曲线走势与HFSS计算的一致。然后得到了喇叭天线以及加载ENZ覆层的喇叭天线的等效电路,通过计算发现覆层喇叭天线等效电路匹配频点与HFSS仿真计算的频点位置基本一致,共有5个频点,这是因为波导中特性阻抗的周期是半波长的整数倍。最后通过对场图的观察从微波角度解释了凹陷点处增益下降的原因。验证了ENZ材料对电磁波的整形效果,同时发现在喇叭口径中心位置的两侧还有两处场强比较大,导致增益有两个较强的旁瓣,因此增益下降。最后,分别设计了?近零﹑?近零和?、?同时近零的三种近零折射率材料实际拓扑结构,实验仿真和测试验证了近零折射率超材料有效提高了天线实际增益。

关键词：近零折射率数据拟合超材料覆层高增益天线

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宽带超材料覆层高增益天线的研究

宽带超材料覆层高增益天线的研究

作者：张远铭西安电子科技大学

学位级别：硕士

超材料覆层高增益天线可显著提高微带天线增益及口径效率的特性，使得其在无线通信领域具有十分广阔的应用前景。然而传统的超材料覆层高增益天线增益带宽较窄，无法适应电磁波的宽频带传输要求，已成为此类天线迫切需要解决的问题之一... 详细信息

超材料覆层高增益天线可显著提高微带天线增益及口径效率的特性，使得其在无线通信领域具有十分广阔的应用前景。然而传统的超材料覆层高增益天线增益带宽较窄，无法适应电磁波的宽频带传输要求，已成为此类天线迫切需要解决的问题之一。为此，本文对宽带超材料覆层高增益天线展开了相应的研究。文章首先从发展背景、研究现状以及发展趋势等方面对超材料覆层高增益天线进行了相应的概述，并对几种超材料的电磁特性以及它们在微波天线领域中的应用进行了简单介绍。再采用Fabry-Perot谐振腔模型对超材料覆层高增益天线进行相应的理论分析与研究，论述了实现宽带超材料覆层高增益天线的可行性。然后通过在双层FSS结构中引入弱谐振的方法，采用金属栅格型FSS与金属贴片型FSS的复合结构构造出能够在较宽频段内满足谐振条件的超材料覆层单元;再分别采用U型缝隙微带贴片天线与L型探针馈电微带贴片天线作为馈源构造出两种具有宽频带特性的超材料覆层高增益天线。其中，以型探针馈电微带贴片天线作为馈源的超材料覆层高增益天线相对工作带宽大于20%，且实测数据与仿真结果较为吻合，进一步验证了设计方案的合理性。文中同时还对准周期渐变结构在宽带超材料覆层高增益天线中的应用进行了初步研究，通过在超材料覆层下表面的金属栅格型FSS中引入渐变结构，实现了对天线增益的进一步提高。最后，本文也基于Fabry-Perot谐振腔模型对加载超材料覆层的阵列天线进行了研究。主要研究了超材料覆层对包含不同单元个数的阵列天线（包括直线阵与平面阵）的增益提高效果;并对加载超材料覆层后，阵列天线在不同波束扫描角度时所需的馈源相位差与增益变化情况进行了相应研究。

关键词： Fabry-Perot 谐振腔超材料覆层高增益天线宽频带频率选择表面

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高增益天线在远距离海上打桩施工中的应用

交通科技与经济 2012年第4期14卷 36-40页

作者：仇伟淇曾永贵刘加硕中交一航局第二工程有限公司山东青岛266031

以鲁北测风塔工程沉桩施工为依托,初步总结GPS数据链天线发射端采用高增益天线在施工定位中的试验及应用情况,在进行远距离海上打桩施工时,完全可以采用高增益天线做GPS基准站无线电差分信号发射天线使用。该天线的使用效果能够满足稳... 详细信息

以鲁北测风塔工程沉桩施工为依托,初步总结GPS数据链天线发射端采用高增益天线在施工定位中的试验及应用情况,在进行远距离海上打桩施工时,完全可以采用高增益天线做GPS基准站无线电差分信号发射天线使用。该天线的使用效果能够满足稳定、连续、准确的GPS差分信号的发射和远距离传输。其有效工作距离能满足20～30km范围,初始化时间短,固定解的解算速度快,在控制网覆盖范围充分的情况下,可达到与近岸施工相当的精度效果,对类似工程的施工具有很好的借鉴和指导作用。

关键词：高增益天线远距离海上打桩施工应用