本文關(guān)鍵詞：近零折射率覆層高增益天線研究　出處：《西安電子科技大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 近零折射率 數(shù)據(jù)擬合 超材料覆層 高增益天線

【摘要】：近零折射率超材料覆層因其對(duì)電磁波的傳播具有能量隧穿效應(yīng)和近乎為零的折射率效果在無(wú)線通信領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)天線覆層使得天線剖面大幅度增加,這大大限制了覆層在天線上的應(yīng)用。近零折射率材料能夠使得電磁波垂直材料表面出射,合理設(shè)計(jì)覆層與天線的高度l,覆層的尺寸a等較敏感參數(shù),能夠在不明顯增加天線剖面情況下有效增加天線增益。本文將從這些方面入手,旨在為超材料覆層高增益天線提供應(yīng)用的理論指導(dǎo)、低剖面設(shè)計(jì)和最優(yōu)加載方案。本文首先從研究背景、研究現(xiàn)狀以及未來(lái)研究方向等方面闡述了近零折射率超材料的原理以及在高增益天線上的應(yīng)用。系統(tǒng)介紹了近零折射率超材料對(duì)電磁波傳播的兩大影響,即電磁波隧穿效應(yīng)和波前整形效應(yīng)。從???平面的坐標(biāo)軸出發(fā),在四個(gè)方向研究近零折射率超材料。通過(guò)二維和三維仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了當(dāng)r?近零時(shí),電磁波將發(fā)生隧穿效應(yīng)。當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)近零時(shí),電磁波還能幾乎無(wú)反射地透過(guò)超材料。根據(jù)Snell定律,材料的近零折射率能夠使得出射電磁波傳播方向垂直材料的出射面,實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了這一點(diǎn),為其在高增益天線上的使用奠定了理論基礎(chǔ)。然后,通過(guò)使用Matlab-HFSS API,編寫(xiě)Matlab程序控制HFSS建立大量Fishnet模型,計(jì)算不同尺寸下的S參數(shù),然后將S參數(shù)導(dǎo)入反演程序,找到相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率的近零頻點(diǎn)。將得到的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行擬合,最終得到材料近零頻率點(diǎn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式。通過(guò)運(yùn)用公式計(jì)算以及仿真驗(yàn)證了擬合公式的有效性。再者,通過(guò)前面的理論指導(dǎo),將理想的電近零(ENZ)、磁近零(MNZ)和雙近零(DNZ)超材料分別加載到X波段標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線上。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)喇叭天線加載ENZ材料覆層時(shí),喇叭的E面方向圖被壓縮;當(dāng)喇叭天線加載MNZ材料覆層時(shí),喇叭的H面方向圖被壓縮;當(dāng)喇叭天線加載DNZ材料覆層時(shí),喇叭的E面和H面方向圖均被壓縮。三種近零折射率超材料均有改善喇叭天線增益的效果,在距離喇叭口徑為1mm或者2mm出的增益達(dá)到最大,隨著距離增大,增益下降。當(dāng)覆層距離喇叭高度確定時(shí),增益在某些頻點(diǎn)會(huì)急劇下降。通過(guò)等效電路的計(jì)算,得出激勵(lì)源的阻抗隨頻率變化的關(guān)系式,然后計(jì)算覆層距離喇叭激勵(lì)源不同高度與波長(zhǎng)的關(guān)系,判斷在兩個(gè)增益凹陷頻點(diǎn)處整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了諧振。進(jìn)一步,將激勵(lì)源和喇叭波導(dǎo)部分進(jìn)行電路等效,通過(guò)等效電路計(jì)算的S參數(shù)曲線走勢(shì)與HFSS計(jì)算的一致。然后得到了喇叭天線以及加載ENZ覆層的喇叭天線的等效電路,通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)覆層喇叭天線等效電路匹配頻點(diǎn)與HFSS仿真計(jì)算的頻點(diǎn)位置基本一致,共有5個(gè)頻點(diǎn),這是因?yàn)椴▽?dǎo)中特性阻抗的周期是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。最后通過(guò)對(duì)場(chǎng)圖的觀察從微波角度解釋了凹陷點(diǎn)處增益下降的原因。驗(yàn)證了ENZ材料對(duì)電磁波的整形效果,同時(shí)發(fā)現(xiàn)在喇叭口徑中心位置的兩側(cè)還有兩處場(chǎng)強(qiáng)比較大,導(dǎo)致增益有兩個(gè)較強(qiáng)的旁瓣,因此增益下降。最后,分別設(shè)計(jì)了?近零?近零和?、?同時(shí)近零的三種近零折射率材料實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)仿真和測(cè)試驗(yàn)證了近零折射率超材料有效提高了天線實(shí)際增益。
[Abstract]:This paper introduces the principle of near zero refractive index metamaterial and the application of near zero refractive index metamaterial in the field of wireless communication because of its energy tunneling effect and near zero refractive index effect on the propagation of electromagnetic waves . The gain has two stronger side lobes , so the gain decreases . At last , nearly zero and near zero are designed , respectively ? At the same time , the practical topological structure , experimental simulation and test of the near zero refractive index materials have proved that the near zero refractive index metamaterial can effectively improve the real gain of the antenna .

【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN822

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