非周期极化扭转人工磁导体宽带圆极化天线的分析与设计(2)
1.2 国内外研究现状
1.2.1 AMC 结构的功能改进 AMC 结构是 D.Sievenpiper 等人在 1999 年研究蘑菇型 EBG 结构时提出的[1][2]，它能够在特定频率范围内表现出理想磁导体（PMC）对平面波的同相位反射特性[3]，在高性能天线[4]、雷达目标隐身、微波传输等诸多方面都有着广泛的应用。除了蘑菇型 AMC 结构外，T.Itoh等人提出了共面紧凑型带隙结构（UC-PBG）[5],该结构的耦合电容 C 由相邻金属贴片的缝隙提供，耦合电感由连接贴片的微带线提供，以实现带隙特性,因没有金属柱，加工时不需要金属过孔，只需蚀刻表面金属图案，更为便利。为了达到现代无线通信系统的要求, 实现小型化、智能化，对 AMC 结构实施了小型化、宽频带、多频带的研究。 2003 年, S.Tse 等人提出了盘旋式 AMC 结构[6],通过增加盘旋支节的长度，降低谐振频率,源^自(吹冰:文,论)文]网[www.chuibin.com，实现结构的小型化。为展宽带宽，R.Diaz 等人[7]在 AMC 结构中加载磁介质（如铁氧体），通过增大磁导率 μ，提高等效感抗，增大 AMC 结构的同相反射带宽。而为实现多频特性，采用多层 AMC 结构、不同结构进行级联[8]、在单元间添加开关[9]等。2012年，Lin Peng 等人提出了一种新型的多频段 EBG[10] 结构，极为紧凑，降低了谐振频率，实现了多频段特性。
1.2.2 AMC 结构在天线中的应用 在天线设计中采用 AMC 结构，可以解决传统天线的结构限制，发展无线通信系统中的射频天线。在天线性能改善方面，2003年，F. Yang与 Y. Rahmat-Samii 等人[11]将AMC 结构应用于微带天线[12][13]周围，以抑制表面波的传播，提高增益，降低背瓣；同时在天线阵中降低表面波的互耦，改善天线阵的性能。 其次，将AMC 结构作为偶极子天线和螺旋线圈天线的反射面[14]，使天线紧贴 AMC 结构表面，实现低剖面天线。2012年，A. Valleccchi 等人[15]利用AMC 结构设计一个折叠偶极子天线，工作频率为 5.5 GHz ，总厚度仅有0.059λ0，实现了低剖面。 除了抑制表面波、降低剖面外，AMC 结构还可以作为地板构造微带天线。AMC 结构作为天线地板时，因为与天线相距很小，两者之间就会产生很强的耦合，此时可以把 AMC 结构看做电抗加载，能减小天线的谐振长度；同时，AMC 结构具有反射相位特性，它随频率连续可变，可以改善微带天线谐振的阻抗特性，增大工作带宽[16]。2006 年，D. Qu等人将蘑菇型 AMC 结构用作微带天线的地板，使天线的增益和带宽分别增加到 21.8%和10.32dBi[17]。 另外，AMC 结构还被用于设计可重构天线。结合 AMC 结构与多个折叠单极子，通过控制不同天线馈电的开关，实现设计方向图的可重构[18]。2010年，P. Deo 等人设计了基于蘑菇型 AMC 结构的波束可控方环天线[19]，将天线的介质厚度减小 61%，增益增加了 1.95 dB，天线带宽也增加了 150 MHz。 此外，AMC 结构的反射相位特性随频率连续可变，可以用来改善天线谐振的阻抗特性，增大工作带宽。2010年，A. Foroozesh 等人同轴底馈的微带贴片天线中应用 AMC 结构，极大的改善了带宽及辐射增益[17]。
1.2.3 AMC 结构的极化扭转特性研究 目前，AMC 结构的研究更多的是利用其特殊的极化扭转特性[20][21]，设计出宽带、宽波束、低剖面的圆极化天线。近几年来，结合频率选择表面 (FSS)技术，提出了许多新型极化扭转反射板，多为方形贴片、金属条带、C 型贴片等结构。其中，S. A. Winkler 等人在 PRRS 的结构设计中引入基片集成波导 (SIW) 技术，使频率选择特性更优，在带宽达到 9.1%时，高度仅为 0.18l[22]。而AMC 结构因其增大带宽、降低剖面等优点，应用到极化扭转技术中时，可以使 PRRS 实现更宽得频带和更低的剖面。2014 年，W. Yang 等提出新型的具有极化扭转功能的人工磁导体（PRAMC）[21][23]，研究其实现极化扭转的物理机理，并根据 PRAMC 结构的表面阻抗的自阻抗和互阻抗分布，给出了相应的等效电路，并针对二维反射系数的幅度和相位分布，进一步分析研究极化扭转特性和它的影响因素，设计出的 AMC 结构具有较宽的极化扭转频带且带内场为圆极化波。在此基础之上，将提出的 PRAMC 结构应用于偶极子天线中，利用特殊的极化扭转特性，提出并设计仿真了两种新型的圆极化偶极子天线，都实现了低剖面、宽带、宽波束，并进行了性能比较，发现实现对称性和低仰角特性更好的宽波束圆极化辐射特性的是基于双金属柱 PRAMC 结构[20]的天线；在此基础上，结合 PRAMC 结构和交叉偶极子天线，提出的多极化天线可以实现右旋圆极化、左旋圆极化和+45° 线极化三种极化状态，再与开关控制的可重构网络相结合，实现了新型极化可重构天线的三种极化快速切换[23]。 1.3 本文的主要内容 本文的内容安排如下： 第一章详细介绍了研究背景和人工磁导体 AMC 结构的国内外的研究现状及在天线中的应用，并介绍了 PRAMC 结构的研究现状。 第二章介绍人工磁导体 AMC 的结构及设计仿真，分析它的同相反射带隙，在此基础上，介绍极化扭转人工磁导体 PRAMC 的结构及设计仿真，分析它的极化扭转机制和极化扭转特性结果，并以此分析 PRAMC 结构的圆极化特性。 第三章将 AMC 结构应用至偶极子天线中，利用极化扭转特性，设计性能更好的圆极化天线。 第四章对极化扭转人工磁导体的参数进行了详细的仿真，分析各项参数对天线性能的影响，接着打破PRAMC 结构的尺寸周期性和金属柱的排布周期性，提出提高天线圆极化性能的设计。
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