發(fā)布時(shí)間：2018-12-16 02:53

【摘要】：隨著信息技術(shù)的發(fā)展,單個(gè)移動(dòng)終端設(shè)備中集成的無(wú)線(xiàn)通信方式越來(lái)越多,如Wi-Fi,GPS,NFC,蜂窩網(wǎng)通信,藍(lán)牙等等,這就要求天線(xiàn)能夠在多個(gè)頻段工作。使天線(xiàn)多頻工作的方法很多,本文以二維結(jié)構(gòu)的超表面來(lái)設(shè)計(jì)頻率可重構(gòu)的天線(xiàn),并以此來(lái)探討二維結(jié)構(gòu)的超表面電磁均一化的相關(guān)問(wèn)題。超材料是由人工設(shè)計(jì)的一些特殊結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的新型材料,它具有自然界中存在的天然材料所不具備的特殊的物理特性。二維結(jié)構(gòu)的超表面是將三維的超材料制成平面結(jié)構(gòu)而得到的,與三維超材料相比,它具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。將人工設(shè)計(jì)特定的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期或者非周期的重復(fù)而成的超表面,具有特殊的電磁特性,加載在天線(xiàn)上可以天線(xiàn)的工作頻率,極化和方向圖進(jìn)行控制。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)工作在C波段的微帶縫隙天線(xiàn)作為輻射天線(xiàn),并設(shè)計(jì)了線(xiàn)狀、長(zhǎng)軸短軸比為10的橢圓狀、長(zhǎng)軸短軸比為3的橢圓狀和圓狀這四種不同單元結(jié)構(gòu)且能夠?qū)崿F(xiàn)天線(xiàn)工作頻率可重構(gòu)的超表面。將超表面直接加載在微帶縫隙天線(xiàn)上,通過(guò)旋轉(zhuǎn)超表面,改變天線(xiàn)與超表面的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶縫隙天線(xiàn)工作的重構(gòu)。利用CST微波工作室對(duì)所建的超表面加載天線(xiàn)進(jìn)行仿真,可以得出四種結(jié)構(gòu)基于超表面頻率可重構(gòu)天線(xiàn)的頻率可重構(gòu)范圍。線(xiàn)狀、長(zhǎng)軸短軸比為10的橢圓狀、長(zhǎng)軸短軸比為3的橢圓狀和圓狀結(jié)構(gòu)的超表面的頻率可重構(gòu)范圍分別為958MHz、808MHz、660MHz和96MHz。本次設(shè)計(jì)選擇了長(zhǎng)軸短軸比為3橢圓狀的超表面,微帶縫隙天線(xiàn)和線(xiàn)結(jié)構(gòu)的超表面進(jìn)行加工并在微波暗室進(jìn)行測(cè)試,仿真與測(cè)試結(jié)果較好的吻合。通過(guò)旋轉(zhuǎn)超表面能夠?qū)崿F(xiàn)天線(xiàn)工作頻率變化的原因是,改變超表面與天線(xiàn)的相對(duì)位置改變了超表面的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。對(duì)超表面進(jìn)行電磁均一化可使用散射參數(shù)逆推法(NRW)進(jìn)行計(jì)算。首先,通過(guò)對(duì)超表面的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真,得出單元結(jié)構(gòu)的散射參數(shù),然后再應(yīng)用NRW算法,對(duì)所得的單元的S11和S21逆向推導(dǎo)出等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率,最后用這些等效電磁常數(shù)分別建立四種結(jié)構(gòu)的超表面等效介質(zhì)模型并加載在天線(xiàn)上進(jìn)行仿真,將得到的結(jié)果與實(shí)際的超表面加載天線(xiàn)的仿真結(jié)果對(duì)比,超表面的等效介質(zhì)模型仿真結(jié)果與實(shí)際模型仿真結(jié)果匹配。
[Abstract]:With the development of information technology, there are more and more integrated wireless communication methods in single mobile terminal devices, such as Wi-Fi,GPS,NFC, cellular network communication, Bluetooth and so on, which requires antennas to work in multiple frequency bands. There are many methods for multi-frequency antenna operation. In this paper, the frequency reconfigurable antenna is designed with the supersurface of the two-dimensional structure, and the related problems of electromagnetic homogenization of the supersurface of the two-dimensional structure are discussed. Metamaterial is a new type of material which is composed of some special structures designed by man. It has special physical properties which are not possessed by natural materials existing in nature. The supersurface of two-dimensional structure is made into planar structure of three-dimensional metamaterials. Compared with three-dimensional metamaterials, it has the advantages of small volume and light weight. The supersurface, which is composed of periodic or aperiodic repeated elements, has special electromagnetic characteristics. The frequency, polarization and pattern of the antenna can be controlled by loading it on the antenna. In this paper, a microstrip slot antenna working in C-band is designed as a radiation antenna, and an ellipsoid with a linear, long axis / short axis ratio of 10 is designed. The ellipsoid and circular structure with long axis and short axis ratio of 3 are four different elements and can realize the reconfigurable supersurface of antenna working frequency. The supersurface is directly loaded on the microstrip slot antenna and the working reconstruction of the microstrip slot antenna is realized by rotating the supersurface and changing the relative position between the antenna and the super-surface. The CST microwave studio is used to simulate the supersurface loaded antenna, and the frequency reconfigurable range of the four structures based on the super-surface frequency reconfigurable antenna can be obtained. The frequency reconfigurable ranges of ellipsoid and circular structure with linear, long axis short axis ratio 10 and long axis short axis ratio 3 are 958 MHz / 808 MHz and 96 MHz, respectively. In this design, the supersurface with the long axis and short axis ratio of 3 ellipsoid, the microstrip slot antenna and the supersurface of the wire structure are fabricated and tested in the microwave darkroom. The simulation results are in good agreement with the test results. The reason why the antenna operating frequency can be changed by rotating the supersurface is that the relative position between the supersurface and the antenna changes the equivalent permittivity and permeability of the supersurface. The electromagnetic homogenization of the supersurface can be calculated by using the backstepping method of scattering parameters (NRW). First, the scattering parameters of the supersurface element structure are obtained by electromagnetic simulation, then the equivalent permittivity and the equivalent permeability of the element S11 and S21 are derived by using the NRW algorithm. Finally, the supersurface equivalent dielectric models of four structures are established by using these equivalent electromagnetic constants and simulated on the antenna. The results obtained are compared with the simulation results of the actual supersurface loaded antennas. The simulation results of the supersurface equivalent medium model match the simulation results of the actual model.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB34;TN820;O441

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本文編號(hào)：2381719