非周期人工磁导体的特性研究及其在微带天线中的应用(2)
参考文献54
1 引言
1.1 研究背景
近几年来，人工磁导体 (AMC，Artificial magnetic conductor) 、电磁带隙结构 (EBG，electromagnetic band-gap structures) 以及左手材料 (left-handed materials) 等人工电磁材料开始收到愈来愈广泛的关注，这些结构或材料被学界称为超材料，因为它们均具有一种在自然界中不存在的但是却极具价值的电磁特性。“AMC结构通常由介质基板上周期性排列的金属贴片构成，具有理想磁壁对平面波的同相位反射特性，可以用于提高天线及射频部件的整体性能[1]”，因此，进一步加大对人工磁导体的研究力度在学术上和实际应用中均具有很大价值。
“微带天线[2]-[6]是指将导体薄片粘贴在反面存在导体接地板的介质基片上而形成的天线，它通常会利用微带线或者是同轴探针等来馈线馈电，从而使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射”。与常用的微波天线相比，微带天线具有低剖面，重量轻，体积小，制作成本低、易于批量生产等优点。
另一方面，将周期性人工磁导体应用于微带天线的设计中[7]-[20],可以有效改善天线性能。但是因为周期人工磁导体不仅在排布和尺寸上具有一定的局限性，而且作为天线地板时的表面电流会具有不一致性，以至于无法达到更好的性能。因此，可以通过对非周期人工磁导体的研究，来打破局限，使其适用范围更广。
本论文从AMC和微带天线的相关知识出发，首先研究AMC的基本特性，对AMC的反射相位进行讨论，再对非周期AMC结构进行讨论，并依据寄生贴片思想将非周期AMC结构作为微带天线单元的接地板，通过大量仿真，设计高效率的基于非周期AMC的微带天线。在此基础上，提出紧凑型天线，使之在带内可以获得平稳口径效率和增益，并对高效率天线和带内性能平稳的天线分别加工和实测，对提出的设计思想的有效性进行了很好的验证。
1.2国内外发展现状
1.3论文的主要内容
本文的内容安排如下:
第一章简单介绍了本课题的应用背景及研究意义，同时，对AMC结构的国内外研究现状以及一些学术成果进行了概述。
第二章中首先对正方形AMC展开分析讨论，其中，重点对AMC结构的反射相位特性进行分析与研究。接下来，主要针对AMC单元之间的缝隙G、介质的介电常数εr、AMC单元的尺寸大小W以及介质基板的厚度h这四个参数变化给反射相位带隙的带来的影响进行仿真分析。最后，针对支节加载的非周期AMC结构进行讨论、讲述了非周期AMC结构与周期结构相比所具有的优势。
第三章是本文的重点章节之一，主要分析了非周期AMC结构对微带天线性能的影响。在基于支节加载的AMC高增益天线的基础上，结合寄生贴片思路对AMC结构尺寸、排布位置进行改变，研究其对AMC表面电流的幅度相位分布的影响，从而优化天线辐射口径场的幅度和相位的一致性，提高天线的辐射性能。提出一种基于5×6排布的非周期AMC结构的天线方案，获得了超过90%的高口径效率的辐射性能。同时，采用PCB工艺对该天线进行了加工测试与结果分析，测试结果与仿真结果吻合较好。
第四章也是本文的重点章节之一，在第三章的基础上，提出了一种基于3×4排布的非周期AMC结构的紧凑型天线方案，获得了10%工作频带内口径效率基本超过80%的较为稳定的辐射性能。同时，对该天线进行了加工测试与结果分析，发现测试结果与仿真结果吻合较好。